连续式跨声速风洞降温系统液氮存储装置的设计与调试

李 峰, 高 超, 郗忠祥, 张国彪

(1. 西北工业大学 翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室, 西安 710072; 2.中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

0 引 言

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。从理论上讲，要使风洞实验完全模拟真实飞行状态，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，会导致风洞实验得到的边界层转捩、分离位置、激波位置、强度等气动特性与实际飞行状态差异明显，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。虽然CFD技术的发展解决了部分高雷诺数飞行模拟问题，但由于转捩预测、流动分离和湍流模型等与黏性有关的许多技术难题尚未完全解决，并且计算的可靠性仍需要通过风洞实验证实和校准[1-2]，因此，在未来相当长的时间内，高飞行雷诺数模拟的任务仍需由风洞实验来承担。美国、加拿大、法国等都相继建造了千万量级的高雷诺数翼型风洞[3-4]，其中，美国CFWT风洞和加拿大NAE风洞为暂冲式，美国NASA Langley风洞为低温增压连续式，法国ONARA T-2风洞为低温增压暂冲式。上述4座风洞的翼型雷诺数均达到三千万以上，具备了国际先进水平的高雷诺数实验能力。

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的战略意义和工程应用价值。NF-6风洞是我国第一座增压连续式跨声速风洞，也是目前国内唯一投入运行的连续式高速风洞。其总体性能达到国内领先、国际先进水平，速度场指标达到了国内生产型风洞的先进水平，在亚声速部分逼近甚至优于国军标先进水平。通过增压措施，NF-6风洞常温翼型实验雷诺数可达15×106，但仍与飞行雷诺数存在一定差距，不能很好地满足战斗机和大型高速民机模型实验的需求，限制了其能力的有效发挥。

为进一步拓宽NF-6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、流体介质和压力的情况下，利用液氮气化吸热效应，通过喷洒液氮的方式实现了连续式跨声速风洞的降温运行，建成了国内首套适用于连续式高速风洞的降温系统，填补了我国低温连续式高速风洞的空白[5-6]。降温运行时，NF-6风洞稳定段气流总温可降低至-20 ℃，最大翼型实验雷诺数达到23×106，为亚洲最大。NF-6风洞降温系统的研制成功，不仅有效提高了NF-6风洞的高雷诺数实验能力，同时也为我国未来大型高速低温风洞的建设提供了重要参考依据。

NF-6风洞降温系统主要由液氮存储装置、挤推气系统、液氮供给及喷射系统、测量系统、控制系统和监控系统构成，本文重点介绍其液氮存储装置的设计及调试结果。

1 NF-6风洞降温系统简介

1.1 NF-6风洞结构及主要技术指标

NF-6风洞是一座由二级轴流压缩机驱动的增压连续式高速风洞[7]，其结构如图1所示。风洞配有两个可以更换的实验段，第一实验段为二元翼型实验段，第二实验段为三元全机和半模实验段。降温系统的设计与调试在二元实验段完成。二元实验段尺寸(高×宽×长)为0.8 m×0.4 m×3.0 m；气流马赫数Ma=0.2～1.2；稳定段气流总压pφ=0.5×105～5.5×105Pa，气流总温Tφ≤318 K；翼型实验雷诺数Rec≥15×106(平均气动弦长C=0.225 m)。

图1 NF-6增压连续式高速风洞结构示意图

Fig.1TheframediagramofNF-6pressurizedcontinuoushigh-speedwindtunnel

1.2 降温方案选择

降温系统可以采用压缩机驱动冷媒的常规制冷方案、以液氮替代冷却水的循环换热方案以及液氮直接喷入降温方案[8]。常规制冷系统投资较大，在NF-6风洞中不易实现；受风洞已有换热器设计和制作工艺的影响，液氮循环换热方案存在一定技术风险，且其制冷量较大，若使用率不高则浪费能源。液氮直接喷入降温方案有以下优点：(1) 技术成熟：已成功应用于国内外研究型、生产型、低速和高速等多座低温风洞，有较为成熟的设计和使用规范可循；(2) 设备投资较少：液氮喷入系统是间隙式工作系统，不需要大功率配电设备和制冷系统，可大量节省固定设备投资；(3) 制冷量大且温度范围宽，液氮喷入压力容易在较宽范围内调节；(4) 占用空间较小，保养成本低，无需大量日常维护工作。该方案的不足之处在于液氮消耗量较大:液氮除用于抵消压缩机的输入功率外，在实验准备、管路清洗、预冷及实验状态过渡等阶段也会大量消耗。综合考虑以上因素，确定以液氮直接喷入方式作为NF-6风洞的降温运行实施方案。

1.3 降温系统总体结构及主要技术要求

NF-6风洞降温系统总体结构如图2所示。该系统主要由液氮存储装置、挤推气系统、液氮供给及喷射系统、测量系统、控制系统和监控系统等构成[9-10]。液氮存储装置用于实现液氮的转储、安全存放、储罐自增压和泄压等功能；挤推气系统用于挤推气的制备、存储、调压及供给，为液氮储罐提供稳定的挤推压力，形成液氮喷入风洞的驱动源[11]；液氮供给及喷射系统用于液氮输送管路的清洗、预冷及液氮的稳定供给和精确调节；测量与控制系统的软硬件与原风洞控制系统设备整合并实现对马赫数、总压和总温的多变量精确控制，并具有参数监测和安全联锁功能。

NF-6风洞降温系统的主要技术要求为[12]：(1)降温指标：Tφ≤253 K；(2)稳定段温度均匀性：在稳定段用温度排架测量温度分布，|ΔT|≤2 K；(3)控制要求(降温运行时)：|ΔTφ|≤2 K，|Δpφ/pφ|≤0.3%，马赫数均方根误差σMa≤0.003；(4)持续时间：液氮储罐容积应能保证一次装填后，风洞稳态连续运转90 s以上。

图2 NF-6风洞降温系统总体结构示意图

2 液氮总需求量和储罐容积计算

2.1 不同工况下的液氮总需求量

在NF-6风洞降温运行过程中，液氮需求包括两个方面：一是稳定运行工况下的液氮流量需求；二是准备过程和过渡过程所需消耗的液氮量。

2.1.1 稳定运行工况下液氮流量需求估算

NF-6风洞降温系统稳定运行工况下的液氮流量主要取决于两个因素：(1)抵消压缩机对气流做功功率所需的液氮流量；(2)抵消通过洞体结构传递到气流中的热量所需的液氮流量。前者可根据NF-6风洞现有流场校测实验数据计算获得；而后者受洞壁边界层传热计算误差较大等因素的限制，不易精确计算。在方案设计过程中，主要通过同类风洞运行经验和一定的设计余量解决此问题。

图3给出了气流通过压缩机后的温度升高曲线。不难发现：气流温度升高主要取决于实验段马赫数，与稳定段总压关系不大。图4给出了不同来流条件下的液氮需求流量GLN2。可以看出，液氮流量与风洞内总压、来流马赫数呈正相关关系；随着总压升高，由马赫数改变导致的液氮增量更为显著；马赫数小于0.24时，液氮流量都不大于2 kg/s。根据NF-6风洞的实际运行边界，稳定工况下的最大液氮流量需求为16 kg/s。

图3 气流通过压缩机后的温升曲线

图4 不同来流条件下的液氮需求流量

2.1.2 准备和过渡过程的液氮需求计算

准备和过渡过程所需液氮量包括：液氮储罐蒸发的液氮，挤推气消耗的液氮，管路清洗、预冷和填充消耗的液氮，过渡工况所消耗的液氮以及其他液氮损耗。

液氮储罐的蒸发指标为1%/d，设计储存时间7 d；挤推气瓶容积3.0 m3，实际充填压力按12 MPa计算(由3 MPa充填至15 MPa)，其液氮需求量约420 kg；液氮输送主管路总长度60 m、内径120 mm，管路填充所需液氮量约548 kg，取管路清洗和预冷的需求量与管路填充量相同(548 kg)；确定过渡工况运行时间为360 s，液氮流量为最大流量的1/3，则液氮消耗量为1920 kg；其他损耗按总量的5%考虑。

2.2 液氮储罐容积

根据上述计算结果，按稳态运行时间90 s考虑，则一次运行的最大液氮需求总量为5461 kg，对应的液氮体积为6.76 m3。考虑到储罐内扩散器安装以及充灌系数限制等因素，实际对应的储罐容积为7.76 m3，保留一些余量后，储罐总容积应不小于10 m3。根据低温压力容器相关规范，最终确定液氮储罐总容积为13 m3。

3 液氮存储装置设计

3.1 系统组成

NF-6风洞降温系统液氮存储装置由液氮储罐和外部管路两部分组成。液氮储罐(图5)采用立式真空粉末绝热低温液体贮槽，贮槽由内容器与外壳组成，两者之间抽真空绝热。液氮储罐的设计、制造和安装严格遵循低温压力容器的国家标准和规范，主要技术参数为：储罐数量1个，容积13 m3，最高工作压力2.0 MPa，设计温度-196～50 ℃，液氮日蒸发率≤1.0%。

图5 液氮储罐

外部管路由组合充灌系统、自增压系统、储罐安全系统、储罐供气(液)系统、仪表监测系统、抽真空及测量系统等6个部分，如图6所示。其中，组合充灌系统位于储罐正面，包括顶部进液阀A-2、底部进液阀A-1和残液排放阀A-7，用于向储罐内充灌液体。自增压系统位于储罐下部，包括增压输入阀A-3、调压阀C-1、汽化器B-1、增压输出阀A-11，用于储罐内压力的自调节。储罐安全系统由并联的两组安全阀YA-1A/1B、爆破片FB-1A/1B和放空阀A-12组成，通过切换手柄保证只有一组安全阀和爆破片工作(另一组备用)。储罐压力高于安全阀起跳压力时，安全阀起跳排气，保证内容器不会因超压而破坏；在储罐压力过高时，可打开A-12降低压力。仪表监测系统位于储罐正面，由液位计LI-1、压力表PI-1以及气相阀A-8、液相阀A-10、平衡阀A-9组成，用于监测储罐内的液位高度。抽真空及测量系统位于储罐底部，用于监测和调节储罐内容器与外壳间的真空度。

图6 外部管路系统

3.2 液氮充灌及储罐自增压方法

3.2.1 液氮充灌方法

储罐进液前，先进行吹扫置换，即进气0.2 MPa，保压3 min后排气，执行上述步骤，直至放空阀A-12有结霜；同时把液位计LI-1、仪表接头打开，进行吹扫。在正式进液前，先打开残液排放阀A-7，排除充装软管内的空气、水分等杂质。待充装软管出现结霜时，打开顶部进液阀A-2(可起到降压作用)。进液中，如果储罐压力与进液槽车压力过于接近(小于0.2 MPa压差)，可打开A-12排气降压。如果贮槽压力稳定，可同时打开底部进液阀A-1。在进液至贮槽3/4时，关闭A-2，同时打开溢流阀A-4，待其出液时，关闭A-1，打开A-7，卸除充装软管。

3.2.2 储罐自增压方法

本降温系统的液氮输运及喷洒通过高压挤推方式实现。因此，为了降低挤推气瓶组中高压氮气的消耗，根据准备阶段的液氮需求量及运行时间，在正式运行前通过储罐的自增压系统将罐内压力增至0.7～0.8 MPa，以完成主管路的清洗、预冷和填充。

自增压的具体方法为：打开增压输入阀A-3、增压输出阀A-11，将调压阀C-1调节螺丝拧紧(C-1用于设定贮槽压力，拧紧调节螺丝增加设定压力，反之则降低设定压力)，增压管路及汽化器开始结霜，这表明管路中已有低温液氮通过。吸热汽化后的氮气回到储罐内使压力升高，增压结束时，增压管路及汽化器开始化霜，此时压力表显示值为C-1的设定压力。如果此压力不满足使用要求，可重复上述过程，直至达到预增压设定值。

4 系统运行调试

4.1 液氮存储装置调试

4.1.1 液氮存储性能测试

在降温系统正式运行调试前，先测试液氮存储装置的充灌与存储性能。液氮充灌现场如图7所示，可以看出充装软管结霜效果良好，进液管路通畅。图8给出了液氮充灌与存储性能的测试结果，可以看出储罐液位H与液氮容积V及质量m表现出良好的线性关系，储罐内未出现压力大幅波动的情况。测试结果表明：储罐与管路设计合理，液位显示准确，压力调节系统工作正常，自增压可达到设计值。

图7 液氮充灌现场

图8 液氮液位与质量及容积的关系

4.1.2 液氮蒸发率测试

存储装置的液氮蒸发率决定液氮的损耗和有效存储时间，需做专门测试，以验证装置可靠性。测试共进行3次，根据储罐容积，每次充灌液氮10.4 m3(约8.4 t)，测试表明：每日液氮储罐内压力上升约0.1 MPa。液氮日蒸发率可通过式(1)计算获得。

(1)

式中，a为液氮日蒸发率，q为蒸发的氮气质量(单位：kg)；ρGN2为标况下的氮气密度1.25 kg/m3，ρLN2为液氮密度808 kg/m3；mLN2为储罐内原有液氮质量，此处代入值为8400 kg；V0为储罐容积，此处代入值为13 m3；n为储罐内压力上升幅度，此处代入值为1。代入测试数据，可得液氮日蒸发率为0.044%，远低于设计指标(1.0%)。

4.2 风洞降温系统运行调试

各子系统建设完成后，进行风洞降温系统的通气运行与调试。风洞总压采用闭环控制，来流风速设定为Ma=0.8。稳定段总温通过专门设计的总温排架进行测量，温度传感器采用热电偶。排架为全不锈钢9点总温排架，测点沿风洞高度方向均匀布置，间距为300 mm，第1测点距风洞上洞壁的垂直距离为295 mm，9个测点距稳定段出口截面距离均为4458 mm。图9为整个降温试验过程中的总温、总压及马赫数变化曲线，图10为风洞稳定段总温的变化情况。调试结果如下：

(1) 喷注液氮后，由于液氮的汽化膨胀，在初始时刻风洞总压显著增大；但当进入试验工况后，总压、马赫数及温度均能保持稳定，表明低温连续式跨声速风洞的多变量精确控制是可以实现的。

(2) 稳定段9个总温测点的平均值达到-20 ℃，温度控制精度达到|ΔTφ|≤2 K。

图9 喷液氮降温试验过程

图10 降温试验过程中的总温变化

(3) 马赫数偏差为|ΔMa|≤0.003，满足σMa≤0.003。

(4) 稳定段总压的平均值达到0.17 MPa，满足|Δpφ/pφ|≤0.3%。

(5)Ma=0.8的来流速度下，本系统降温运行有效时间可达到90 s。

5 结 论

本文介绍了NF-6风洞降温系统液氮存储装置的设计方案及调试结果，得出以下结论：

(1) 通过液氮存储、输运及喷注等关键技术突破，建成了国内第一套适用于连续式跨声速风洞的液氮降温系统。

(2) 对于0.6 m量级的连续式高速风洞，当降温运行需要持续90 s以上时，液氮储罐容积应不小于10 m3。

(3) 设计的液氮存储装置的液氮日蒸发率为0.044%，远低于设计指标1.0%，有效减小了液氮的自然损耗。

(4) 运行调试结果表明，液氮存储装置与整体降温系统匹配良好，稳定段平均总温达到-20 ℃，|ΔTφ|≤2 K，降温运行的有效时间超过90 s。