连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段的制作方法

本发明涉及低温环境下风洞实验段的设计领域，具体是一种用于连续式高速风洞降温系统的液氮喷入实验段。

背景技术：

提高风洞实验雷诺数对减小实验误差，获取更加接近真实飞行状态的气动数据具有重要意义。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，在实验段尺寸与流体介质不易改变的情况下，降温可增大流体密度，减小粘性系数。液态氮是一种低沸点的惰性物质，具有蒸发快、化学性质稳定等特点，利用液氮的汽化吸热效应，向风洞内喷洒液氮，带走风洞内的热量，是一种提高实验雷诺数有效途径。喷液氮降温系统是间隙式工作系统，不需要大功率的配电设备和制冷系统，可以大量节省固定设备投资；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；占用空间较小：液氮喷入系统非常紧凑，液氮槽车等设备可以临时租用；维护成本低，不需要大量的日常维护工作。我国目前在低温连续式高速风洞方面尚属空白，因此，研制适用于连续式高速风洞的喷液氮降温系统对我国风洞技术创新与武器装备研制具有重要意义。

提高风洞实验雷诺数对减小实验误差，获取更加接近真实飞行状态的气动数据具有重要意义。雷诺数由流体密度、温度、速度和模型尺寸决定，在实验段尺寸与流体介质不易改变的情况下，降温可增大流体密度，减小粘性系数。液态氮是一种低沸点的惰性物质，具有蒸发快、化学性质稳定等特点，利用液氮的汽化吸热效应，向风洞内喷洒液氮，带走风洞内的热量，是一种提高实验雷诺数有效途径。喷液氮降温系统是间隙式工作系统，不需要大功率的配电设备和制冷系统，可以大量节省固定设备投资；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；占用空间较小：液氮喷入系统非常紧凑，液氮槽车等设备可以临时租用；维护成本低，不需要大量的日常维护工作。我国目前在低温连续式高速风洞方面尚属空白，因此，研制适用于连续式高速风洞的喷液氮降温系统对我国风洞技术创新与武器装备研制具有重要意义。

由上述分析可知，连续式高速风洞的结构特殊、运行工况复杂，需要研制一套专用于连续式高速风洞降温系统的液氮喷入实验段，以在保证风洞洞体和轴流压缩机安全的前提下实现液氮的喷入。

技术实现要素：

为了解决常规钢制结构风洞实验段无法适用喷液氮降温系统的技术难题，本发明提出一种适用于连续式高速风洞降温系统的液氮喷入实验段，选用耐低温高强度金属材料，设计与连续式高速风洞匹配的喷液氮实验段及液氮喷孔布置方式，实现风洞内液氮的均匀、可控喷注。

本发明的技术方案为：

所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：液氮喷入实验段的上游端面连接连续式高速风洞的轴流压缩机段出口，液氮喷入实验段的下游端面连接连续式高速风洞的扩散段入口；液氮喷入实验段上设有液氮喷孔和排气管路接口，用于安装液氮喷嘴和排气管道；液氮喷入实验段底部设有底座，用于支撑和调节水平高度。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：所述液氮喷入实验段由筒身、4个排气管路接口、16个上游液氮喷嘴接口、16个下游液氮喷嘴接口、上游法兰、下游法兰、12条纵向加强筋、3条环形加强筋、1个上游底座和2个下游底座构成。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：所述筒身为空心锥形圆柱体，由不锈钢材料0cr18ni9制成，筒身上游端面内径为d，下游端面内径为1.22d，筒身长度为2d，壁厚为0.03d；所述上游法兰外径为1.11d，内径为d，厚度为0.07d，沿周向均匀开有60个内径为0.015d的通孔，用于连接风洞轴流压缩机出口；下游法兰外径为1.33d，内径为1.22d，厚度为0.07d，沿周向均匀开有60个内径为0.015d的通孔，用于连接风洞扩散段入口。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：4个排气管路接口结构相同，均由不锈钢材料0cr18ni9制成，通过焊接方式与筒身侧壁的排气孔连接；排气管路接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面0.33d位置，4个排气管路接口分别安装于沿逆气流方向观察安装截面的45°、135、225°、315°位置。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：排气管路接口包括接口管路、接口法兰和盖板；接口管路长0.08d，外径为0.067d，壁厚为0.005d；接口法兰外径为0.1d，内径为0.09d，厚度为0.011d，沿其周向均匀布置6个直径为0.01d的通孔，用于连接排气管路；盖板外径、厚度与接口法兰相同，用于在不连接排气管路时密封排气管路接口。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：16个上游液氮喷嘴接口和16个下游液氮喷嘴接口结构相同，均由不锈钢材料0cr18ni9制成，通过焊接的方式与筒身侧壁的液氮喷孔连接；上游液氮喷嘴接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面0.61d位置，16个上游液氮喷嘴接口分别安装于沿逆气流方向观察安装截面的10°、40°、50°、80°、100°、130°、140°、170°、190°、220°、230°、260°、280°、310°、320°、350°位置；下游液氮喷嘴接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面1.44d位置，16个下游液氮喷嘴接口分别安装于沿逆气流方向观察安装截面的10°、40°、50°、80°、100°、130°、140°、170°、190°、220°、230°、260°、280°、310°、320°、350°位置。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：上游液氮喷嘴接口外径为0.075d，内径为0.043d，大头厚度为0.016d，小头厚度为0.01d，沿其周向均匀布置4个直径为0.01d、孔深为0.005d的内螺纹孔，用于连接上游液氮喷嘴。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：12条纵向加强筋结构相同，均由不锈钢材料0cr18ni9制成，长度为2d，宽度为0.15d，厚度为0.006d，用于加强筒身的横向结构强度；12条纵向加强筋沿筒身周向均匀分布，每个加强筋之间间隔30°，通过焊接的方式沿轴线方向连接于筒身。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：3条环形加强筋均由不锈钢材料0cr18ni9制成，为封闭圆环结构，用于加强筒身的纵向结构强度；3条环形加强筋分别位于距筒身上游端面0.83d、1.67d、1.83d位置，通过焊接的方式环形连接于纵向加强筋上沿；从上游端面至下游端面的3条环形加强筋直径分别为1.24d、1.41d、1.41d宽度均为0.07d，厚度均为0.006d。

进一步的优选方案，所述一种连续式高速风洞降温系统液氮喷入实验段，其特征在于：1个上游底座和2个下游底座均由不锈钢材料0cr18ni9制成，三个底座呈三点式分布支撑液氮喷入实验段，上游底座居中安装于距筒身上游端面的0.33d位置，2个下游底座分别安装于距筒身上游端面1.75d、沿周向135°与225°的位置。

有益效果

本发明克服了常规钢制结构风洞实验段无法适用于喷液氮降温系统的技术难题，通过选用耐低温高强度金属材料，液氮喷入实验段气动结构与喷嘴接口设计，解决了液氮喷注位置选择、风洞压力调节及喷嘴布局与安装等问题。采用本技术方案，有效保证了降温运行时风洞的结构安全，实现了风洞内液氮的均匀、可控喷注，为建成我国第一套连续式高速风洞降温系统提供了支撑。

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

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：

附图1是液氮喷入实验段与风洞的装配关系；

1-轴流压缩机，2-液氮喷入实验段，3-第四扩散段，4-风洞洞体。

附图2是液氮喷入实验段结构图；

5-上游法兰，6-纵向加强筋，7-排气管路接口，8-上游喷嘴接口法兰，9-筒身，10-下游喷嘴接口法兰，11-下游法兰，12-上游底座，13-环形加强筋，14-下游底座。

附图3是液氮喷入实验段侧视图；

7-排气管路接口，8-上游喷嘴接口法兰，13-环形加强筋，6-纵向加强筋，12-上游底座，9-筒身，14-下游底座。

附图4是排气管路接口结构图；

15-通孔，16-盖板，17-接口法兰，18-接口管路。

附图5是喷嘴接口法兰结构图；

19-螺纹孔，20-接口法兰。

附图6是nf-6连续式高速风洞液氮喷入实验段；

附图7是nf-6连续式高速风洞排气管路接口；

附图8是nf-6连续式高速风洞喷嘴接口法兰；

附图9是nf-6连续式高速风洞喷液氮降温系统原理图；

21-风洞本体，22-液氮存储装置，23-供配气系统，24-控制系统，25-液氮喷注装置。

附图10是降温试验时风洞气流与洞壁温度的变化情况；

附图11是降温试验过程中的总温变化；

附图12是降温试验过程中的的ma数变化。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例是用于nf-6连续式高速风洞降温系统的液氮喷入实验段。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。为了验证本项发明的可行性及有益效果，以nf－6连续式高速风洞为实施平台，针对风洞降温系统的总体方案和主要技术要求，设计研制了nf－6连续式高速风洞降温系统的液氮喷入实验段，并进行了运行测试。

液氮喷入实验段是连续式高速风洞闭合回路的一个组成部分，同时也是风洞降温系统液氮喷注系统的承载装置。液氮喷入实验段与风洞的装配关系如图1所示，其中，液氮喷入实验段的上游端面连接风洞轴流压缩机的出口，下游端面连接风洞第四扩散段的入口；液氮喷入实验段上设有液氮喷孔和排气管路接口，用于安装液氮喷嘴和排气管道；液氮喷入实验段底部设有底座，用于支撑其自重和调节水平高度。

液氮喷入实验段，包括筒身、4个排气管路接口、16个上游液氮喷嘴接口、16个下游液氮喷嘴接口、上游法兰、下游法兰、12条纵向加强筋、3条环形加强筋、1个上游底座和2个下游底座。如图2、图3所示。其中：

筒身为空心锥形圆柱体，由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，上游端面内径为1800mm，下游端面内径为2200mm，筒身长度为3600mm，壁厚为54mm。其上游法兰外径为2000mm，内径为1800mm，厚度为126mm，沿周向均匀开有60个内径为28mm的通孔，用于连接风洞轴流压缩机出口；下游法兰外径为2400mm，内径为2200mm，厚度为126mm，沿周向均匀开有60个内径为28mm的通孔，用于连接风洞第四扩散段入口，见图6。

4个排气管路接口结构相同，均由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，通过焊接的方式与筒身排气孔连接；排气管路接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面600mm位置，4个排气管路接口分别安装于沿逆气流方向(从下游端面到上游端面)观察安装截面的45°、135、225°、315°位置。接口管路长144mm，外径为122mm，壁厚为9mm，接口法兰外径为180mm，内径为160mm，厚度为20mm，沿其周向均匀布置6个直径为18mm的通孔，用于连接排气管路；4个排气管路接口均配有外径、厚度与接口法兰相同的盖板，用于在不连接排气管路时密封管路接口，见图7。

16个上游液氮喷嘴接口结构相同，均由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，通过焊接的方式与筒身液氮喷孔连接；上游液氮喷嘴接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面1100mm位置，16个上游液氮喷嘴接口分别安装于沿逆气流方向(从下游端面到上游端面观察，垂直向上方向为0°)观察安装截面的10°、40°、50°、80°、100°、130°、140°、170°、190°、220°、230°、260°、280°、310°、320°、350°位置。上游液氮喷嘴接口外径为135mm，内径为78mm，大头厚度为27.71mm，小头厚度为20.61mm，沿其周向均匀布置4个直径为18mm、孔深为9mm的内螺纹孔，用于上游液氮喷嘴，见图8。

16个下游液氮喷嘴接口结构及材料与上游液氮喷嘴接口完全相同，见图8。下游液氮喷嘴接口安装截面位于距液氮喷入实验段上游端面2600mm位置，16个下游液氮喷嘴接口同样安装于沿逆气流方向(从下游端面到上游端面观察，垂直向上方向为0°)观察安装截面的10°、40°、50°、80°、100°、130°、140°、170°、190°、220°、230°、260°、280°、310°、320°、350°位置。

12条纵向加强筋结构相同，均由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，长度为3600mm，宽度为270mm，厚度为10mm，用于加强筒身的横向结构强度。12条纵向加强筋沿筒身周向均匀分布，每个加强筋之间间隔30°，通过焊接的方式沿轴线方向连接于筒身。

3条环形加强筋均由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，封闭圆环结构，用于加强筒身的纵向结构强度。3条环形加强筋分别位于距筒身上游端面1500mm、3000mm、3300mm位置，通过焊接的方式环形连接于纵向加强筋上沿。从上游端面至下游端面的3条环形加强筋直径分别为2232mm、2538mm、2538mm宽度均为126mm，厚度均为10mm。

1个上游底座和2个下游底座均由不锈钢材料(0cr18ni9)制成，通用框架结构；底座呈三点式分布支撑液氮喷入实验段，上游底座居中安装于距筒身上游端面的600mm位置，2个下游底座分别安装于距筒身上游端面3150mm、沿周向(从下游端面到上游端面观察，垂直向上方向为0°)135°与225°的位置。

在本实施例中，将液氮喷入实验段通过上游法兰与下游法兰连接于nf-6连续式高速风洞轴流压缩机的出口与第四扩散段的入口，与风洞其它部分组成闭合回路；将32个液氮喷嘴通过32液氮喷嘴接口连接至液氮喷入实验段，形成降温系统的液氮喷注装置。液氮喷入实验段与风洞及降温系统的装配关系如图9所示。完成液氮喷入实验段的安装后，启动风洞，运行喷液氮降温系统，选取ma＝0.8的的跨音速典型实验工况，测试了液氮喷入实验段与风洞及降温系统的匹配性能。

图10给出风洞气流与洞壁温度的变化情况，图11给出了风洞的总温变化情况，图12给出了试验段ma数的变化情况。从图上可已看出：当稳定段气流温度低于-20℃时，喷注环处风洞洞壁温度仍然处于常温20℃附近，表明液氮喷入实验段位置选取及喷嘴接口设计合理，有效解决了风洞洞壁材料的超低温防护问题，保证了风洞的结构安全；试验段ma数的平均值达到0.8，马赫数偏差为|δma|≤0.003，满足σma≤0.003，风洞稳定段9个总温测点的平均值达到-20℃，且满足表明液氮喷入实验段结构符合风洞设计规范，液氮喷入实验段与风洞降温系统匹配良好，实现了连续式高速风洞的降温运行，温度指标达到设计要求。

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。