连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法

摘要

本发明提出一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法，包括准备、运行和结束三个阶段工作。准备工作包括液氮准备，挤推气制备，配气台准备，风洞准备，测控系统准备，液氮输送管路准备，储罐预增压和风洞内气体置换；运行阶段工作包括风洞清洗，气流降温，参数过渡和稳参数试验；结束阶段包括停止记录数据；停止向洞体内注入液氮；通过排气系统对风洞泄压；压缩机继续在设定的工况下运转，压缩机释放的热量将气流和风洞洞体加热至设定温度或至常温后压缩机停止运行。采用本发明的方法，能够将喷液氮降温系统的运行与风洞的运行整合为一体，确保在连续式跨声速风洞内安全有效地进行喷液氮降温试验。

权利要求

1.一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：准备工作：包括

液氮准备：在试验前一周时间内完成液氮的订购、运输和转储；

挤推气制备：在试验前三天内完成挤推气制备，通过液氮泵、汽化器对高压气瓶组增压；

配气台准备：配气台用于为后续气动阀启闭操作提供驱动力；调节配气台的手动阀和减压阀，使各路减压阀输出压力值达到预先设定的范围；

风洞准备：完成风洞常温运行的各项准备工作；并排空换热器管道内的残留水，降温运行时冷却器不工作；

测控系统准备：开启测控系统，对降温运行系统参数作实时监测并建立安全联锁，实现在主控间执行液氮供给气动阀的启闭、配气台快速阀启闭操作；

液氮输送管路准备：在液氮输送管路充满液氮之前将液氮输送管路进行清洗，并预冷到指定温度，然后再对其填充液氮；

储罐预增压：开启增压旁路对液氮储罐进行预增压，直到储罐压力达到预定值为止；

风洞内气体置换：利用中压储罐中的干燥气体对风洞内的气体进行置换，直到洞内气体的干燥指标达预定的露点温度为止；

步骤2：运行阶段工作：包括

风洞清洗：开启压缩机并在设定的工况下运转，通过雾化喷嘴以设定流量喷入液氮，通过喷入的液氮蒸发后的气体置换风洞内原有的空气，对风洞内气流干燥度进行监测，当气流露点温度达到-39℃后停止清洗；

气流降温：压缩机在设定的工况下运转，以预先设定的方式、参数和流量向风洞内喷入液氮，将气流温度降低至设定温度；所述设定的方式、参数和流量指根据风洞结构计算，确保风洞结构安全下的喷液氮方式、参数和流量；

参数过渡：控制系统通过调节液氮喷嘴启闭、压缩机转速和排气阀门，将风洞的工作参数由降温阶段的参数向设定参数过渡；所述参数包括总压和马赫数；

稳参数试验：控制系统对风洞马赫数、总温、总压参数进行多变量控制，使参数稳定在指定的精度内，并达到预定的试验时间，完成模型试验程序；

步骤3：结束阶段：包括

停止记录数据；停止向洞体内注入液氮；通过排气系统对风洞泄压；压缩机继续在设定的工况下运转，压缩机释放的热量将气流和风洞洞体加热至设定温度或至常温后压缩机停止运行；风洞进行结束操作。

说明书

连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风洞技术领域，具体为一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法。

背景技术

[0002] 雷诺数是风洞实验模拟飞行器实际飞行能力的重要相似参数。从理论上来讲，要使风洞实验能完全模拟真实的飞行状态，就必须使风洞实验和实际飞行的雷诺数保持一致。然而，由于受到模型尺寸、风洞动力设备、能源系统等因素的限制，目前的风洞实验雷诺数还难以达到实际的飞行雷诺数。实验雷诺数与飞行雷诺数的不同会导致实验所得边界层转捩、分离位置、激波位置、强度等气动特性与实际飞行状态形成明显差异，结果使实验数据的工程应用价值大大降低，在某些情况下甚至无法使用。因此，研制高(变)雷诺数风洞对我国航空工业和国防科技的发展具有重要战略意义和工程应用价值。

[0003] 连续式跨声速风洞是由轴流压缩机驱动的可连续长时间运行的回流式高速空气动力学实验平台，其流场品质和实验效率远高于常规暂冲式风洞。但由于连续式高速风洞由大功率电机驱动，受能源系统的限制，其实验段雷诺数与实际飞行雷诺数仍有一定差距，不能很好地满足战斗机和大型高速民机模型实验的需求。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，流体速度和模型尺寸受风洞固有条件的制约不易改变，降温可增大流体密度，减小粘性系数，是一种提高实验雷诺数有效途径。因此，为了进一步拓宽该风洞的实验雷诺数范围，针对连续式高速风洞的结构特点和运行模式，在不改变实验段尺寸、流体介质及压力的情况下，通过喷洒液氮的方式，利用液氮的气化吸热效应，可实现连续式高速风洞的降温运行，从而达到提高实验雷诺数的目的。

[0004] NF-6风洞是我国第一座连续式高速风洞，也是国内目前唯一一座投入运行的连续式高速风洞。该风洞的总体性能达到国内领先、国际先进水平。通过配合喷液氮降温系统，能够实现拓展NF-6风洞的试验雷诺数范围的目的，通过向风洞内喷入液氮，能够实现稳定段最低气体温度约-20℃。新配置的降温运行系统需要配套测量与控制系统以维持系统的正常运转与必要的参数测量，同时降温系统的运行测量控制还需与整个风洞的测控系统相融合，以实现对风洞马赫数、总压、总温的多参数复合控制，保证风洞流场性能。因此，需要设计完整详细的在连续式跨声速风洞内安全有效进行喷液氮降温试验的运行方法。

发明内容

[0005] 喷液氮降温系统的运行须与风洞的运行整合为一体，为此，本发明提出一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法，采取“先降温，后稳压，再调速”的原则进行，试验过程分为准备、运行和结束三个阶段。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 所述一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0008] 步骤1：准备工作：包括

[0009] 液氮准备：在试验前一周时间内完成液氮的订购、运输和转储；

[0010] 挤推气制备：在试验前三天内完成挤推气制备，通过液氮泵、汽化器对高压气瓶组增压；

[0011] 配气台准备：配气台用于为后续气动阀启闭操作提供驱动力；调节配气台的手动阀和减压阀，使各路减压阀输出压力值达到预先设定的范围；

[0012] 风洞准备：完成风洞常温运行的各项准备工作；并排空换热器管道内的残留水，降温运行时冷却器不工作；

[0013] 测控系统准备：开启测控系统，对降温运行系统参数作实时监测并建立安全联锁，实现在主控间执行液氮供给气动阀的启闭、配气台快速阀启闭操作；

[0014] 液氮输送管路准备：在液氮输送管路充满液氮之前将液氮输送管路进行清洗，并预冷到指定温度，然后再对其填充液氮；

[0015] 储罐预增压：开启增压旁路对液氮储罐进行预增压，直到储罐压力达到预定值为止；

[0016] 风洞内气体置换：利用中压储罐中的干燥气体对风洞内的气体进行置换，直到洞内气体的干燥指标达预定的露点温度为止；

[0017] 步骤2：运行阶段工作：包括

[0018] 风洞清洗：开启压缩机并在设定的工况下运转，通过雾化喷嘴以设定流量喷入液氮，通过喷入的液氮蒸发后的气体置换风洞内原有的空气，对风洞内气流干燥度进行监测，当气流露点温度达到-39℃后停止清洗；

[0019] 气流降温：压缩机在设定的工况下运转，以预先设定的方式、参数和流量向风洞内喷入液氮，将气流温度降低至设定温度；所述设定的方式、参数和流量指根据风洞结构计算，确保风洞结构安全下的喷液氮方式、参数和流量；

[0020] 参数过渡：控制系统通过调节液氮喷嘴启闭、压缩机转速和排气阀门，将风洞的工作参数由降温阶段的参数向设定参数过渡；所述参数包括总压和马赫数；

[0021] 稳参数试验：控制系统对风洞马赫数、总温、总压参数进行多变量控制，使参数稳定在指定的精度内，并达到预定的试验时间，完成模型试验程序；

[0022] 步骤3：结束阶段：包括

[0023] 停止记录数据；停止向洞体内注入液氮；通过排气系统对风洞泄压；压缩机继续在设定的工况下运转，压缩机释放的热量将气流和风洞洞体加热至设定温度或至常温后压缩机停止运行；风洞进行结束操作。

[0024] 有益效果

[0025] 采用本发明的方法，能够将喷液氮降温系统的运行与风洞的运行整合为一体，确保在连续式跨声速风洞内安全有效地进行喷液氮降温试验。

[0026] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0027] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0028] 图1：降温运行系统组成原理图；

[0029] 图2：准备阶段流程图；

[0030] 图3：运行阶段流程图；

[0031] 图4：结束阶段流程图；

[0032] 图5：喷液氮降温试验过程；

[0033] 图6：降温试验总温变化；

[0034] 图7：降温试验Ma数变化；

[0035] 图8：降温试验总压变化。

具体实施方式

[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0037] 本实施例中所述一种连续式跨声速风洞喷液氮降温试验运行方法，包括准备、运行和结束三个阶段。

[0038] 1.准备阶段

[0039] 该阶段指风洞压缩机启动前需要进行的一系列准备工作，该阶段试验流程见图2，具体包括：

[0040] 1)液氮准备：在试验前约一周时间内完成液氮的订购、运输和转储(由于液氮罐有一定的蒸发量，存放时间过长，则会造成液氮浪费)；

[0041] 2)挤推气制备：在试验前三天内完成挤推气制备，通过液氮泵、汽化器对高压气瓶组增压；

[0042] 3)配气台准备：配气台主要为后续气动阀启闭操作提供驱动力，调节配气台的手动阀和减压阀，使各路减压阀输出压力值达到预先设定的范围；

[0043] 4)风洞准备：完成风洞的常温运行的各项准备工作；另外，还须排空换热器管道内的残留水，降温运行时冷却器不工作；

[0044] 5)测控系统准备：开启测控系统，对降温运行系统的参数作实时监测并建立安全联锁，实现在主控间执行液氮供给气动阀的启闭、配气台快速阀启闭等操作；

[0045] 6)液氮输送管路准备：由于液氮输送主管路较长，为了确保液氮输送稳定可靠，在管路充满液氮之前需要将液氮流道清洗并预冷到指定温度，然后再对其填充液氮。此阶段液氮储罐处于较低的压力状态(0.2～0.3MPa)，该压力通常依靠储罐的自增压系统来提供和维持。具体如下：

[0046] a、清洗：清洗的意义在于置换掉管路中原有的湿空气，防止出现水汽凝结，此阶段的残气不进入风洞，通过专用管道直接排入大气。具体操作时，开启较小的液氮供给气动阀(如DN25气动阀)，在保持流道内气流温度不太低的情况下以较小的氮气流量(靠液氮蒸发)将管道中的湿空气置换掉。

[0047] b、预冷：对液氮输送管路进行预冷是保证其正常、安全工作的一个重要环节，具体操作时可(反复)开启较小的液氮供给气动阀(如DN40气动阀)以较小的液氮流量对管路持续降温，直到管路中监测点温度达到预定值后停止。预冷期间需对管路中的压力进行监测并进入控制系统的安全联锁，确保不超压。

[0048] c、填充：对液氮输送管路填充液氮，是保证其正常工作的另一个重要准备环节；管路填充过程和管路的预冷过程可以结合进行。具体操作时可(反复)开启较小的液氮供给气动阀(如DN40气动阀)以较小的液氮流量对管路进行填充，直到管路中最高点出液为止。

[0049] 7)储罐预增压：(在主控间)开启增压旁路对液氮储罐进行预增压，直到储罐压力达到预定值为止；

[0050] 8)风洞内气体置换：利用中压储罐中的干燥气体对风洞内的气体进行置换，直到洞内气体的干燥指标达预定的露点温度为止。

[0051] 2.运行阶段

[0052] 包括风洞清洗、气流降温、状态过渡和稳参数试验，运行阶段的试验流程见图3。

[0053] 1)风洞清洗：开启压缩机并在较低工况下(较小的静叶角、较低的转速)运转，通过雾化喷嘴以较小的流量喷入液氮，以喷入的液氮蒸发后的气体置换风洞内原有的空气，对风洞内气流干燥度进行监测，当气流露点温度达到-39℃后停止清洗；

[0054] 2)气流降温：压缩机在较低工况运转，以预先设定的方式、参数和流量向风洞内喷入液氮，将气流温度降低至设定温度；预先设定的方式、参数和流量实现降温速率要求，降温速率是根据风洞结构计算得到，以确保风洞结构安全为前提；

[0055] 3)参数过渡：控制系统通过调节液氮喷嘴启闭、压缩机转速和排气阀门将风洞的工作参数由降温阶段的低参数(总压和马赫数)向设定参数过渡；

[0056] 4)稳参数试验：控制系统对风洞马赫数、总温、总压等参数进行多变量精确控制，保证这些参数稳定在指定的精度内，并达到预定的试验时间，完成模型试验程序。

[0057] 3.结束阶段

[0058] 完成既定试验程序，即进入结束阶段，该阶段试验流程图见图4，主要包括：

[0059] 1)停止记录数据；

[0060] 2)停止向洞体内注入液氮；

[0061] 3)通过排气系统对风洞泄压；

[0062] 4)压缩机继续低转速运转，压缩机释放的热量将气流和风洞洞体加热至设定温度或常温后压缩机停止运行；

[0063] 5)风洞各系统和降温运行系统进行其余结束操作。

[0064] 通过上述步骤，以M＝0.8的增压降温试验为例，图5给出了其整个降温试验的过程，图6给出了其稳定段总温的变化情况，图7给出了其试验段Ma数的变化情况，图8给出了其稳定段总压的变化情况，从图上可知，在本次试验中：

[0065] 1)稳定段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足

[0066] 2)试验段Ma数的平均值达到0.8，马赫数偏差为|ΔMa|≤0.003，即满足σMa≤0.003；

[0067] 3)稳定段总压的平均值达到1.7bar，其变化幅度满足

[0068] 4)风洞降温运行的有效时间超过90s。

[0069] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。