本發(fā)明涉及風洞技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種連續(xù)式跨聲速風洞噴液氮降溫試驗運行方法。

背景技術(shù)：

雷諾數(shù)是風洞實驗?zāi)M飛行器實際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上來講，要使風洞實驗?zāi)芡耆M真實的飛行狀態(tài)，就必須使風洞實驗和實際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風洞動力設(shè)備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風洞實驗雷諾數(shù)還難以達到實際的飛行雷諾數(shù)。實驗雷諾數(shù)與飛行雷諾數(shù)的不同會導致實驗所得邊界層轉(zhuǎn)捩、分離位置、激波位置、強度等氣動特性與實際飛行狀態(tài)形成明顯差異，結(jié)果使實驗數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用價值大大降低，在某些情況下甚至無法使用。因此，研制高(變)雷諾數(shù)風洞對我國航空工業(yè)和國防科技的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義和工程應(yīng)用價值。

連續(xù)式跨聲速風洞是由軸流壓縮機驅(qū)動的可連續(xù)長時間運行的回流式高速空氣動力學實驗平臺，其流場品質(zhì)和實驗效率遠高于常規(guī)暫沖式風洞。但由于連續(xù)式高速風洞由大功率電機驅(qū)動，受能源系統(tǒng)的限制，其實驗段雷諾數(shù)與實際飛行雷諾數(shù)仍有一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機和大型高速民機模型實驗的需求。雷諾數(shù)由流體密度、溫度、速度和模型尺寸決定，流體速度和模型尺寸受風洞固有條件的制約不易改變，降溫可增大流體密度，減小粘性系數(shù)，是一種提高實驗雷諾數(shù)有效途徑。因此，為了進一步拓寬該風洞的實驗雷諾數(shù)范圍，針對連續(xù)式高速風洞的結(jié)構(gòu)特點和運行模式，在不改變實驗段尺寸、流體介質(zhì)及壓力的情況下，通過噴灑液氮的方式，利用液氮的氣化吸熱效應(yīng)，可實現(xiàn)連續(xù)式高速風洞的降溫運行，從而達到提高實驗雷諾數(shù)的目的。

nf-6風洞是我國第一座連續(xù)式高速風洞，也是國內(nèi)目前唯一一座投入運行的連續(xù)式高速風洞。該風洞的總體性能達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。通過配合噴液氮降溫系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)拓展nf-6風洞的試驗雷諾數(shù)范圍的目的，通過向風洞內(nèi)噴入液氮，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定段最低氣體溫度約-20℃。新配置的降溫運行系統(tǒng)需要配套測量與控制系統(tǒng)以維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)與必要的參數(shù)測量，同時降溫系統(tǒng)的運行測量控制還需與整個風洞的測控系統(tǒng)相融合，以實現(xiàn)對風洞馬赫數(shù)、總壓、總溫的多參數(shù)復(fù)合控制，保證風洞流場性能。因此，需要設(shè)計完整詳細的在連續(xù)式跨聲速風洞內(nèi)安全有效進行噴液氮降溫試驗的運行方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

噴液氮降溫系統(tǒng)的運行須與風洞的運行整合為一體，為此，本發(fā)明提出一種連續(xù)式跨聲速風洞噴液氮降溫試驗運行方法，采取“先降溫，后穩(wěn)壓，再調(diào)速”的原則進行，試驗過程分為準備、運行和結(jié)束三個階段。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種連續(xù)式跨聲速風洞噴液氮降溫試驗運行方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：準備工作：包括

液氮準備：在試驗前一周時間內(nèi)完成液氮的訂購、運輸和轉(zhuǎn)儲；

擠推氣制備：在試驗前三天內(nèi)完成擠推氣制備，通過液氮泵、汽化器對高壓氣瓶組增壓；

配氣臺準備：配氣臺用于為后續(xù)氣動閥啟閉操作提供驅(qū)動力；調(diào)節(jié)配氣臺的手動閥和減壓閥，使各路減壓閥輸出壓力值達到預(yù)先設(shè)定的范圍；

風洞準備：完成風洞常溫運行的各項準備工作；并排空換熱器管道內(nèi)的殘留水，降溫運行時冷卻器不工作；

測控系統(tǒng)準備：開啟測控系統(tǒng)，對降溫運行系統(tǒng)參數(shù)作實時監(jiān)測并建立安全聯(lián)鎖，實現(xiàn)在主控間執(zhí)行液氮供給氣動閥的啟閉、配氣臺快速閥啟閉操作；

液氮輸送管路準備：在液氮輸送管路充滿液氮之前將液氮輸送管路進行清洗，并預(yù)冷到指定溫度，然后再對其填充液氮；

儲罐預(yù)增壓：開啟增壓旁路對液氮儲罐進行預(yù)增壓，直到儲罐壓力達到預(yù)定值為止；

風洞內(nèi)氣體置換：利用中壓儲罐中的干燥氣體對風洞內(nèi)的氣體進行置換，直到洞內(nèi)氣體的干燥指標達預(yù)定的露點溫度為止；

步驟2：運行階段工作：包括

風洞清洗：開啟壓縮機并在設(shè)定的工況下運轉(zhuǎn)，通過霧化噴嘴以設(shè)定流量噴入液氮，通過噴入的液氮蒸發(fā)后的氣體置換風洞內(nèi)原有的空氣，對風洞內(nèi)氣流干燥度進行監(jiān)測，當氣流露點溫度達到-39℃后停止清洗；

氣流降溫：壓縮機在設(shè)定的工況下運轉(zhuǎn)，以預(yù)先設(shè)定的方式、參數(shù)和流量向風洞內(nèi)噴入液氮，將氣流溫度降低至設(shè)定溫度；所述設(shè)定的方式、參數(shù)和流量指根據(jù)風洞結(jié)構(gòu)計算，確保風洞結(jié)構(gòu)安全下的噴液氮方式、參數(shù)和流量；

參數(shù)過渡：控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液氮噴嘴啟閉、壓縮機轉(zhuǎn)速和排氣閥門，將風洞的工作參數(shù)由降溫階段的參數(shù)向設(shè)定參數(shù)過渡；所述參數(shù)包括總壓和馬赫數(shù)；

穩(wěn)參數(shù)試驗：控制系統(tǒng)對風洞馬赫數(shù)、總溫、總壓參數(shù)進行多變量控制，使參數(shù)穩(wěn)定在指定的精度內(nèi)，并達到預(yù)定的試驗時間，完成模型試驗程序；

步驟3：結(jié)束階段：包括

停止記錄數(shù)據(jù)；停止向洞體內(nèi)注入液氮；通過排氣系統(tǒng)對風洞泄壓；壓縮機繼續(xù)在設(shè)定的工況下運轉(zhuǎn)，壓縮機釋放的熱量將氣流和風洞洞體加熱至設(shè)定溫度或至常溫后壓縮機停止運行；風洞進行結(jié)束操作。

有益效果

采用本發(fā)明的方法，能夠?qū)娨旱禍叵到y(tǒng)的運行與風洞的運行整合為一體，確保在連續(xù)式跨聲速風洞內(nèi)安全有效地進行噴液氮降溫試驗。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1：降溫運行系統(tǒng)組成原理圖；

圖2：準備階段流程圖；

圖3：運行階段流程圖；

圖4：結(jié)束階段流程圖；

圖5：噴液氮降溫試驗過程；

圖6：降溫試驗總溫變化；

圖7：降溫試驗ma數(shù)變化；

圖8：降溫試驗總壓變化。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本實施例中所述一種連續(xù)式跨聲速風洞噴液氮降溫試驗運行方法，包括準備、運行和結(jié)束三個階段。

1.準備階段

該階段指風洞壓縮機啟動前需要進行的一系列準備工作，該階段試驗流程見圖2，具體包括：

1)液氮準備：在試驗前約一周時間內(nèi)完成液氮的訂購、運輸和轉(zhuǎn)儲(由于液氮罐有一定的蒸發(fā)量，存放時間過長，則會造成液氮浪費)；

2)擠推氣制備：在試驗前三天內(nèi)完成擠推氣制備，通過液氮泵、汽化器對高壓氣瓶組增壓；

3)配氣臺準備：配氣臺主要為后續(xù)氣動閥啟閉操作提供驅(qū)動力，調(diào)節(jié)配氣臺的手動閥和減壓閥，使各路減壓閥輸出壓力值達到預(yù)先設(shè)定的范圍；

4)風洞準備：完成風洞的常溫運行的各項準備工作；另外，還須排空換熱器管道內(nèi)的殘留水，降溫運行時冷卻器不工作；

5)測控系統(tǒng)準備：開啟測控系統(tǒng)，對降溫運行系統(tǒng)的參數(shù)作實時監(jiān)測并建立安全聯(lián)鎖，實現(xiàn)在主控間執(zhí)行液氮供給氣動閥的啟閉、配氣臺快速閥啟閉等操作；

6)液氮輸送管路準備：由于液氮輸送主管路較長，為了確保液氮輸送穩(wěn)定可靠，在管路充滿液氮之前需要將液氮流道清洗并預(yù)冷到指定溫度，然后再對其填充液氮。此階段液氮儲罐處于較低的壓力狀態(tài)(0.2～0.3mpa)，該壓力通常依靠儲罐的自增壓系統(tǒng)來提供和維持。具體如下：

a、清洗：清洗的意義在于置換掉管路中原有的濕空氣，防止出現(xiàn)水汽凝結(jié)，此階段的殘氣不進入風洞，通過專用管道直接排入大氣。具體操作時，開啟較小的液氮供給氣動閥(如dn25氣動閥)，在保持流道內(nèi)氣流溫度不太低的情況下以較小的氮氣流量(靠液氮蒸發(fā))將管道中的濕空氣置換掉。

b、預(yù)冷：對液氮輸送管路進行預(yù)冷是保證其正常、安全工作的一個重要環(huán)節(jié)，具體操作時可(反復(fù))開啟較小的液氮供給氣動閥(如dn40氣動閥)以較小的液氮流量對管路持續(xù)降溫，直到管路中監(jiān)測點溫度達到預(yù)定值后停止。預(yù)冷期間需對管路中的壓力進行監(jiān)測并進入控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖，確保不超壓。

c、填充：對液氮輸送管路填充液氮，是保證其正常工作的另一個重要準備環(huán)節(jié)；管路填充過程和管路的預(yù)冷過程可以結(jié)合進行。具體操作時可(反復(fù))開啟較小的液氮供給氣動閥(如dn40氣動閥)以較小的液氮流量對管路進行填充，直到管路中最高點出液為止。

7)儲罐預(yù)增壓：(在主控間)開啟增壓旁路對液氮儲罐進行預(yù)增壓，直到儲罐壓力達到預(yù)定值為止；

8)風洞內(nèi)氣體置換：利用中壓儲罐中的干燥氣體對風洞內(nèi)的氣體進行置換，直到洞內(nèi)氣體的干燥指標達預(yù)定的露點溫度為止。

2.運行階段

包括風洞清洗、氣流降溫、狀態(tài)過渡和穩(wěn)參數(shù)試驗，運行階段的試驗流程見圖3。

1)風洞清洗：開啟壓縮機并在較低工況下(較小的靜葉角、較低的轉(zhuǎn)速)運轉(zhuǎn)，通過霧化噴嘴以較小的流量噴入液氮，以噴入的液氮蒸發(fā)后的氣體置換風洞內(nèi)原有的空氣，對風洞內(nèi)氣流干燥度進行監(jiān)測，當氣流露點溫度達到-39℃后停止清洗；

2)氣流降溫：壓縮機在較低工況運轉(zhuǎn)，以預(yù)先設(shè)定的方式、參數(shù)和流量向風洞內(nèi)噴入液氮，將氣流溫度降低至設(shè)定溫度；預(yù)先設(shè)定的方式、參數(shù)和流量實現(xiàn)降溫速率要求，降溫速率是根據(jù)風洞結(jié)構(gòu)計算得到，以確保風洞結(jié)構(gòu)安全為前提；

3)參數(shù)過渡：控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液氮噴嘴啟閉、壓縮機轉(zhuǎn)速和排氣閥門將風洞的工作參數(shù)由降溫階段的低參數(shù)(總壓和馬赫數(shù))向設(shè)定參數(shù)過渡；

4)穩(wěn)參數(shù)試驗：控制系統(tǒng)對風洞馬赫數(shù)、總溫、總壓等參數(shù)進行多變量精確控制，保證這些參數(shù)穩(wěn)定在指定的精度內(nèi)，并達到預(yù)定的試驗時間，完成模型試驗程序。

3.結(jié)束階段

完成既定試驗程序，即進入結(jié)束階段，該階段試驗流程圖見圖4，主要包括：

1)停止記錄數(shù)據(jù)；

2)停止向洞體內(nèi)注入液氮；

3)通過排氣系統(tǒng)對風洞泄壓；

4)壓縮機繼續(xù)低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，壓縮機釋放的熱量將氣流和風洞洞體加熱至設(shè)定溫度或常溫后壓縮機停止運行；

5)風洞各系統(tǒng)和降溫運行系統(tǒng)進行其余結(jié)束操作。

通過上述步驟，以m＝0.8的增壓降溫試驗為例，圖5給出了其整個降溫試驗的過程，圖6給出了其穩(wěn)定段總溫的變化情況，圖7給出了其試驗段ma數(shù)的變化情況，圖8給出了其穩(wěn)定段總壓的變化情況，從圖上可知，在本次試驗中：

1)穩(wěn)定段9個總溫測點的平均值達到-20℃，且滿足

2)試驗段ma數(shù)的平均值達到0.8，馬赫數(shù)偏差為|δma|≤0.003，即滿足σma≤0.003；

3)穩(wěn)定段總壓的平均值達到1.7bar，其變化幅度滿足

4)風洞降溫運行的有效時間超過90s。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。