連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞降溫系統(tǒng)液氮存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)與調(diào)試

李 峰, 高 超, 郗忠祥, 張國(guó)彪

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

雷諾數(shù)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M飛行器實(shí)際飛行能力的重要相似參數(shù)。從理論上講，要使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全模擬真實(shí)飛行狀態(tài)，就必須使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)際飛行的雷諾數(shù)保持一致。然而，由于受到模型尺寸、風(fēng)洞動(dòng)力設(shè)備、能源系統(tǒng)等因素的限制，目前的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)還難以達(dá)到實(shí)際的飛行雷諾數(shù)。實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)與飛行雷諾數(shù)的不同，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的邊界層轉(zhuǎn)捩、分離位置、激波位置、強(qiáng)度等氣動(dòng)特性與實(shí)際飛行狀態(tài)差異明顯，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用價(jià)值大大降低，在某些情況下甚至無(wú)法使用。雖然CFD技術(shù)的發(fā)展解決了部分高雷諾數(shù)飛行模擬問(wèn)題，但由于轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)、流動(dòng)分離和湍流模型等與黏性有關(guān)的許多技術(shù)難題尚未完全解決，并且計(jì)算的可靠性仍需要通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證實(shí)和校準(zhǔn)[1-2]，因此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，高飛行雷諾數(shù)模擬的任務(wù)仍需由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)承擔(dān)。美國(guó)、加拿大、法國(guó)等都相繼建造了千萬(wàn)量級(jí)的高雷諾數(shù)翼型風(fēng)洞[3-4]，其中，美國(guó)CFWT風(fēng)洞和加拿大NAE風(fēng)洞為暫沖式，美國(guó)NASA Langley風(fēng)洞為低溫增壓連續(xù)式，法國(guó)ONARA T-2風(fēng)洞為低溫增壓暫沖式。上述4座風(fēng)洞的翼型雷諾數(shù)均達(dá)到三千萬(wàn)以上，具備了國(guó)際先進(jìn)水平的高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

研制高(變)雷諾數(shù)風(fēng)洞對(duì)我國(guó)航空工業(yè)和國(guó)防科技的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和工程應(yīng)用價(jià)值。NF-6風(fēng)洞是我國(guó)第一座增壓連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，也是目前國(guó)內(nèi)唯一投入運(yùn)行的連續(xù)式高速風(fēng)洞。其總體性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，速度場(chǎng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)型風(fēng)洞的先進(jìn)水平，在亞聲速部分逼近甚至優(yōu)于國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)水平。通過(guò)增壓措施，NF-6風(fēng)洞常溫翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)可達(dá)15×106，但仍與飛行雷諾數(shù)存在一定差距，不能很好地滿足戰(zhàn)斗機(jī)和大型高速民機(jī)模型實(shí)驗(yàn)的需求，限制了其能力的有效發(fā)揮。

為進(jìn)一步拓寬NF-6風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍，針對(duì)連續(xù)式高速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行模式，在不改變實(shí)驗(yàn)段尺寸、流體介質(zhì)和壓力的情況下，利用液氮?dú)饣鼰嵝?yīng)，通過(guò)噴灑液氮的方式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的降溫運(yùn)行，建成了國(guó)內(nèi)首套適用于連續(xù)式高速風(fēng)洞的降溫系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國(guó)低溫連續(xù)式高速風(fēng)洞的空白[5-6]。降溫運(yùn)行時(shí)，NF-6風(fēng)洞穩(wěn)定段氣流總溫可降低至-20 ℃，最大翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)達(dá)到23×106，為亞洲最大。NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的研制成功，不僅有效提高了NF-6風(fēng)洞的高雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑫r(shí)也為我國(guó)未來(lái)大型高速低溫風(fēng)洞的建設(shè)提供了重要參考依據(jù)。

NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)主要由液氮存儲(chǔ)裝置、擠推氣系統(tǒng)、液氮供給及噴射系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，本文重點(diǎn)介紹其液氮存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)及調(diào)試結(jié)果。

1 NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 NF-6風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

NF-6風(fēng)洞是一座由二級(jí)軸流壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓連續(xù)式高速風(fēng)洞[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)洞配有兩個(gè)可以更換的實(shí)驗(yàn)段，第一實(shí)驗(yàn)段為二元翼型實(shí)驗(yàn)段，第二實(shí)驗(yàn)段為三元全機(jī)和半模實(shí)驗(yàn)段。降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試在二元實(shí)驗(yàn)段完成。二元實(shí)驗(yàn)段尺寸(高×寬×長(zhǎng))為0.8 m×0.4 m×3.0 m；氣流馬赫數(shù)Ma=0.2～1.2；穩(wěn)定段氣流總壓pφ=0.5×105～5.5×105Pa，氣流總溫Tφ≤318 K；翼型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Rec≥15×106(平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)C=0.225 m)。

圖1 NF-6增壓連續(xù)式高速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1TheframediagramofNF-6pressurizedcontinuoushigh-speedwindtunnel

1.2 降溫方案選擇

降溫系統(tǒng)可以采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)冷媒的常規(guī)制冷方案、以液氮替代冷卻水的循環(huán)換熱方案以及液氮直接噴入降溫方案[8]。常規(guī)制冷系統(tǒng)投資較大，在NF-6風(fēng)洞中不易實(shí)現(xiàn)；受風(fēng)洞已有換熱器設(shè)計(jì)和制作工藝的影響，液氮循環(huán)換熱方案存在一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，且其制冷量較大，若使用率不高則浪費(fèi)能源。液氮直接噴入降溫方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 技術(shù)成熟：已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外研究型、生產(chǎn)型、低速和高速等多座低溫風(fēng)洞，有較為成熟的設(shè)計(jì)和使用規(guī)范可循；(2) 設(shè)備投資較少：液氮噴入系統(tǒng)是間隙式工作系統(tǒng)，不需要大功率配電設(shè)備和制冷系統(tǒng)，可大量節(jié)省固定設(shè)備投資；(3) 制冷量大且溫度范圍寬，液氮噴入壓力容易在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；(4) 占用空間較小，保養(yǎng)成本低，無(wú)需大量日常維護(hù)工作。該方案的不足之處在于液氮消耗量較大:液氮除用于抵消壓縮機(jī)的輸入功率外，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、管路清洗、預(yù)冷及實(shí)驗(yàn)狀態(tài)過(guò)渡等階段也會(huì)大量消耗。綜合考慮以上因素，確定以液氮直接噴入方式作為NF-6風(fēng)洞的降溫運(yùn)行實(shí)施方案。

1.3 降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)要求

NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由液氮存儲(chǔ)裝置、擠推氣系統(tǒng)、液氮供給及噴射系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成[9-10]。液氮存儲(chǔ)裝置用于實(shí)現(xiàn)液氮的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、安全存放、儲(chǔ)罐自增壓和泄壓等功能；擠推氣系統(tǒng)用于擠推氣的制備、存儲(chǔ)、調(diào)壓及供給，為液氮儲(chǔ)罐提供穩(wěn)定的擠推壓力，形成液氮噴入風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)源[11]；液氮供給及噴射系統(tǒng)用于液氮輸送管路的清洗、預(yù)冷及液氮的穩(wěn)定供給和精確調(diào)節(jié)；測(cè)量與控制系統(tǒng)的軟硬件與原風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)備整合并實(shí)現(xiàn)對(duì)馬赫數(shù)、總壓和總溫的多變量精確控制，并具有參數(shù)監(jiān)測(cè)和安全聯(lián)鎖功能。

NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的主要技術(shù)要求為[12]：(1)降溫指標(biāo)：Tφ≤253 K；(2)穩(wěn)定段溫度均勻性：在穩(wěn)定段用溫度排架測(cè)量溫度分布，|ΔT|≤2 K；(3)控制要求(降溫運(yùn)行時(shí))：|ΔTφ|≤2 K，|Δpφ/pφ|≤0.3%，馬赫數(shù)均方根誤差σMa≤0.003；(4)持續(xù)時(shí)間：液氮儲(chǔ)罐容積應(yīng)能保證一次裝填后，風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)90 s以上。

圖2 NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 液氮總需求量和儲(chǔ)罐容積計(jì)算

2.1 不同工況下的液氮總需求量

在NF-6風(fēng)洞降溫運(yùn)行過(guò)程中，液氮需求包括兩個(gè)方面：一是穩(wěn)定運(yùn)行工況下的液氮流量需求；二是準(zhǔn)備過(guò)程和過(guò)渡過(guò)程所需消耗的液氮量。

2.1.1 穩(wěn)定運(yùn)行工況下液氮流量需求估算

NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況下的液氮流量主要取決于兩個(gè)因素：(1)抵消壓縮機(jī)對(duì)氣流做功功率所需的液氮流量；(2)抵消通過(guò)洞體結(jié)構(gòu)傳遞到氣流中的熱量所需的液氮流量。前者可根據(jù)NF-6風(fēng)洞現(xiàn)有流場(chǎng)校測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；而后者受洞壁邊界層傳熱計(jì)算誤差較大等因素的限制，不易精確計(jì)算。在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)同類風(fēng)洞運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和一定的設(shè)計(jì)余量解決此問(wèn)題。

圖3給出了氣流通過(guò)壓縮機(jī)后的溫度升高曲線。不難發(fā)現(xiàn)：氣流溫度升高主要取決于實(shí)驗(yàn)段馬赫數(shù)，與穩(wěn)定段總壓關(guān)系不大。圖4給出了不同來(lái)流條件下的液氮需求流量GLN2?？梢钥闯?，液氮流量與風(fēng)洞內(nèi)總壓、來(lái)流馬赫數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；隨著總壓升高，由馬赫數(shù)改變導(dǎo)致的液氮增量更為顯著；馬赫數(shù)小于0.24時(shí)，液氮流量都不大于2 kg/s。根據(jù)NF-6風(fēng)洞的實(shí)際運(yùn)行邊界，穩(wěn)定工況下的最大液氮流量需求為16 kg/s。

圖3 氣流通過(guò)壓縮機(jī)后的溫升曲線

圖4 不同來(lái)流條件下的液氮需求流量

2.1.2 準(zhǔn)備和過(guò)渡過(guò)程的液氮需求計(jì)算

準(zhǔn)備和過(guò)渡過(guò)程所需液氮量包括：液氮儲(chǔ)罐蒸發(fā)的液氮，擠推氣消耗的液氮，管路清洗、預(yù)冷和填充消耗的液氮，過(guò)渡工況所消耗的液氮以及其他液氮損耗。

液氮儲(chǔ)罐的蒸發(fā)指標(biāo)為1%/d，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存時(shí)間7 d；擠推氣瓶容積3.0 m3，實(shí)際充填壓力按12 MPa計(jì)算(由3 MPa充填至15 MPa)，其液氮需求量約420 kg；液氮輸送主管路總長(zhǎng)度60 m、內(nèi)徑120 mm，管路填充所需液氮量約548 kg，取管路清洗和預(yù)冷的需求量與管路填充量相同(548 kg)；確定過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)間為360 s，液氮流量為最大流量的1/3，則液氮消耗量為1920 kg；其他損耗按總量的5%考慮。

2.2 液氮儲(chǔ)罐容積

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，按穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間90 s考慮，則一次運(yùn)行的最大液氮需求總量為5461 kg，對(duì)應(yīng)的液氮體積為6.76 m3?？紤]到儲(chǔ)罐內(nèi)擴(kuò)散器安裝以及充灌系數(shù)限制等因素，實(shí)際對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐容積為7.76 m3，保留一些余量后，儲(chǔ)罐總?cè)莘e應(yīng)不小于10 m3。根據(jù)低溫壓力容器相關(guān)規(guī)范，最終確定液氮儲(chǔ)罐總?cè)莘e為13 m3。

3 液氮存儲(chǔ)裝置設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)液氮存儲(chǔ)裝置由液氮儲(chǔ)罐和外部管路兩部分組成。液氮儲(chǔ)罐(圖5)采用立式真空粉末絕熱低溫液體貯槽，貯槽由內(nèi)容器與外殼組成，兩者之間抽真空絕熱。液氮儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造和安裝嚴(yán)格遵循低溫壓力容器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，主要技術(shù)參數(shù)為：儲(chǔ)罐數(shù)量1個(gè)，容積13 m3，最高工作壓力2.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度-196～50 ℃，液氮日蒸發(fā)率≤1.0%。

圖5 液氮儲(chǔ)罐

外部管路由組合充灌系統(tǒng)、自增壓系統(tǒng)、儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)、儲(chǔ)罐供氣(液)系統(tǒng)、儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、抽真空及測(cè)量系統(tǒng)等6個(gè)部分，如圖6所示。其中，組合充灌系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐正面，包括頂部進(jìn)液閥A-2、底部進(jìn)液閥A-1和殘液排放閥A-7，用于向儲(chǔ)罐內(nèi)充灌液體。自增壓系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐下部，包括增壓輸入閥A-3、調(diào)壓閥C-1、汽化器B-1、增壓輸出閥A-11，用于儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的自調(diào)節(jié)。儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)由并聯(lián)的兩組安全閥YA-1A/1B、爆破片F(xiàn)B-1A/1B和放空閥A-12組成，通過(guò)切換手柄保證只有一組安全閥和爆破片工作(另一組備用)。儲(chǔ)罐壓力高于安全閥起跳壓力時(shí)，安全閥起跳排氣，保證內(nèi)容器不會(huì)因超壓而破壞；在儲(chǔ)罐壓力過(guò)高時(shí)，可打開(kāi)A-12降低壓力。儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐正面，由液位計(jì)LI-1、壓力表PI-1以及氣相閥A-8、液相閥A-10、平衡閥A-9組成，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位高度。抽真空及測(cè)量系統(tǒng)位于儲(chǔ)罐底部，用于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)容器與外殼間的真空度。

圖6 外部管路系統(tǒng)

3.2 液氮充灌及儲(chǔ)罐自增壓方法

3.2.1 液氮充灌方法

儲(chǔ)罐進(jìn)液前，先進(jìn)行吹掃置換，即進(jìn)氣0.2 MPa，保壓3 min后排氣，執(zhí)行上述步驟，直至放空閥A-12有結(jié)霜；同時(shí)把液位計(jì)LI-1、儀表接頭打開(kāi)，進(jìn)行吹掃。在正式進(jìn)液前，先打開(kāi)殘液排放閥A-7，排除充裝軟管內(nèi)的空氣、水分等雜質(zhì)。待充裝軟管出現(xiàn)結(jié)霜時(shí)，打開(kāi)頂部進(jìn)液閥A-2(可起到降壓作用)。進(jìn)液中，如果儲(chǔ)罐壓力與進(jìn)液槽車(chē)壓力過(guò)于接近(小于0.2 MPa壓差)，可打開(kāi)A-12排氣降壓。如果貯槽壓力穩(wěn)定，可同時(shí)打開(kāi)底部進(jìn)液閥A-1。在進(jìn)液至貯槽3/4時(shí)，關(guān)閉A-2，同時(shí)打開(kāi)溢流閥A-4，待其出液時(shí)，關(guān)閉A-1，打開(kāi)A-7，卸除充裝軟管。

3.2.2 儲(chǔ)罐自增壓方法

本降溫系統(tǒng)的液氮輸運(yùn)及噴灑通過(guò)高壓擠推方式實(shí)現(xiàn)。因此，為了降低擠推氣瓶組中高壓氮?dú)獾南?，根?jù)準(zhǔn)備階段的液氮需求量及運(yùn)行時(shí)間，在正式運(yùn)行前通過(guò)儲(chǔ)罐的自增壓系統(tǒng)將罐內(nèi)壓力增至0.7～0.8 MPa，以完成主管路的清洗、預(yù)冷和填充。

自增壓的具體方法為：打開(kāi)增壓輸入閥A-3、增壓輸出閥A-11，將調(diào)壓閥C-1調(diào)節(jié)螺絲擰緊(C-1用于設(shè)定貯槽壓力，擰緊調(diào)節(jié)螺絲增加設(shè)定壓力，反之則降低設(shè)定壓力)，增壓管路及汽化器開(kāi)始結(jié)霜，這表明管路中已有低溫液氮通過(guò)。吸熱汽化后的氮?dú)饣氐絻?chǔ)罐內(nèi)使壓力升高，增壓結(jié)束時(shí)，增壓管路及汽化器開(kāi)始化霜，此時(shí)壓力表顯示值為C-1的設(shè)定壓力。如果此壓力不滿足使用要求，可重復(fù)上述過(guò)程，直至達(dá)到預(yù)增壓設(shè)定值。

4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

4.1 液氮存儲(chǔ)裝置調(diào)試

4.1.1 液氮存儲(chǔ)性能測(cè)試

在降溫系統(tǒng)正式運(yùn)行調(diào)試前，先測(cè)試液氮存儲(chǔ)裝置的充灌與存儲(chǔ)性能。液氮充灌現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，可以看出充裝軟管結(jié)霜效果良好，進(jìn)液管路通暢。圖8給出了液氮充灌與存儲(chǔ)性能的測(cè)試結(jié)果，可以看出儲(chǔ)罐液位H與液氮容積V及質(zhì)量m表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，儲(chǔ)罐內(nèi)未出現(xiàn)壓力大幅波動(dòng)的情況。測(cè)試結(jié)果表明：儲(chǔ)罐與管路設(shè)計(jì)合理，液位顯示準(zhǔn)確，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作正常，自增壓可達(dá)到設(shè)計(jì)值。

圖7 液氮充灌現(xiàn)場(chǎng)

圖8 液氮液位與質(zhì)量及容積的關(guān)系

4.1.2 液氮蒸發(fā)率測(cè)試

存儲(chǔ)裝置的液氮蒸發(fā)率決定液氮的損耗和有效存儲(chǔ)時(shí)間，需做專門(mén)測(cè)試，以驗(yàn)證裝置可靠性。測(cè)試共進(jìn)行3次，根據(jù)儲(chǔ)罐容積，每次充灌液氮10.4 m3(約8.4 t)，測(cè)試表明：每日液氮儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升約0.1 MPa。液氮日蒸發(fā)率可通過(guò)式(1)計(jì)算獲得。

(1)

式中，a為液氮日蒸發(fā)率，q為蒸發(fā)的氮?dú)赓|(zhì)量(單位：kg)；ρGN2為標(biāo)況下的氮?dú)饷芏?.25 kg/m3，ρLN2為液氮密度808 kg/m3；mLN2為儲(chǔ)罐內(nèi)原有液氮質(zhì)量，此處代入值為8400 kg；V0為儲(chǔ)罐容積，此處代入值為13 m3；n為儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升幅度，此處代入值為1。代入測(cè)試數(shù)據(jù)，可得液氮日蒸發(fā)率為0.044%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)(1.0%)。

4.2 風(fēng)洞降溫系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

各子系統(tǒng)建設(shè)完成后，進(jìn)行風(fēng)洞降溫系統(tǒng)的通氣運(yùn)行與調(diào)試。風(fēng)洞總壓采用閉環(huán)控制，來(lái)流風(fēng)速設(shè)定為Ma=0.8。穩(wěn)定段總溫通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的總溫排架進(jìn)行測(cè)量，溫度傳感器采用熱電偶。排架為全不銹鋼9點(diǎn)總溫排架，測(cè)點(diǎn)沿風(fēng)洞高度方向均勻布置，間距為300 mm，第1測(cè)點(diǎn)距風(fēng)洞上洞壁的垂直距離為295 mm，9個(gè)測(cè)點(diǎn)距穩(wěn)定段出口截面距離均為4458 mm。圖9為整個(gè)降溫試驗(yàn)過(guò)程中的總溫、總壓及馬赫數(shù)變化曲線，圖10為風(fēng)洞穩(wěn)定段總溫的變化情況。調(diào)試結(jié)果如下：

(1) 噴注液氮后，由于液氮的汽化膨脹，在初始時(shí)刻風(fēng)洞總壓顯著增大；但當(dāng)進(jìn)入試驗(yàn)工況后，總壓、馬赫數(shù)及溫度均能保持穩(wěn)定，表明低溫連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的多變量精確控制是可以實(shí)現(xiàn)的。

(2) 穩(wěn)定段9個(gè)總溫測(cè)點(diǎn)的平均值達(dá)到-20 ℃，溫度控制精度達(dá)到|ΔTφ|≤2 K。

圖9 噴液氮降溫試驗(yàn)過(guò)程

圖10 降溫試驗(yàn)過(guò)程中的總溫變化

(3) 馬赫數(shù)偏差為|ΔMa|≤0.003，滿足σMa≤0.003。

(4) 穩(wěn)定段總壓的平均值達(dá)到0.17 MPa，滿足|Δpφ/pφ|≤0.3%。

(5)Ma=0.8的來(lái)流速度下，本系統(tǒng)降溫運(yùn)行有效時(shí)間可達(dá)到90 s。

5 結(jié) 論

本文介紹了NF-6風(fēng)洞降溫系統(tǒng)液氮存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)方案及調(diào)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)液氮存儲(chǔ)、輸運(yùn)及噴注等關(guān)鍵技術(shù)突破，建成了國(guó)內(nèi)第一套適用于連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的液氮降溫系統(tǒng)。

(2) 對(duì)于0.6 m量級(jí)的連續(xù)式高速風(fēng)洞，當(dāng)降溫運(yùn)行需要持續(xù)90 s以上時(shí)，液氮儲(chǔ)罐容積應(yīng)不小于10 m3。

(3) 設(shè)計(jì)的液氮存儲(chǔ)裝置的液氮日蒸發(fā)率為0.044%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)1.0%，有效減小了液氮的自然損耗。

(4) 運(yùn)行調(diào)試結(jié)果表明，液氮存儲(chǔ)裝置與整體降溫系統(tǒng)匹配良好，穩(wěn)定段平均總溫達(dá)到-20 ℃，|ΔTφ|≤2 K，降溫運(yùn)行的有效時(shí)間超過(guò)90 s。