大型低温跨声速风洞

大型低温跨声速风洞各种类型的风洞各种类型的风洞流体力学实验模拟设备水动力实验设备空气动力实验设备其它实验设备水洞、水槽、水池火箭撬、弹道靶一、风洞概述二、为什么要建低温跨声速风洞三、低温跨声速风洞的发展现状四、低温跨声速风洞的技术难点1风洞概述1.1风洞的概念风洞是利用相对运动的原理，通过人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，是进行空气动力地面实验最常用、最有效的设备。实际飞行的状态风洞实验的状态气流静止，飞行器运动气流运动，飞行器静止1.2风洞模拟的飞行环境飞行环境：飞行器飞行时所处的环境条件。航空飞行器飞行环境Ma:0~3高度:20km温度:700K低温、稠密大气航天运载器飞行环境Ma:3~25高度:20-100km温度:1500K（航天飞机）、7000K（运载飞船）高温、稀薄气体1风洞概述1.3风洞实验的优点风洞中的气流参数（如速度、压力、密度温度等）能够比较准确地控制，并且随时可以改变；风洞实验一般不易受大气环境（如季节、昼夜、风雨、气温等）变化的影响；风洞实验时，数据测量方便、准确，安全性高；风洞实验费用比较低廉；风洞不仅可以进行整机实验，还可以进行各部件（如机翼、机身等）和组合体的实验研究；1风洞概述按实验段马赫数范围划分按风洞的结构特点划分按风洞的运行方式划分按风洞的用途划分1.4风洞的分类最常用的是按马赫数范围分类1风洞概述风洞按实验段气流马赫数分为：低速风洞Ma0.4亚声速风洞0.4≤Ma0.8跨声速风洞0.8≤Ma1.4超声速风洞1.4≤Ma5高超声速风洞Ma≥51.4风洞的分类1风洞概述1.5风洞的地位和作用风洞的种类和规模可以衡量一个国家的航空航天事业的水平。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。美国：风洞是国家的重要战略资源。把包含风洞技术在内的空气动力技术作为仅次于核技术的关键技术，对其他国家采取限制和封锁。1风洞概述1风洞概述一、风洞概述二、为什么要建低温跨声速风洞三、低温跨声速风洞的发展现状四、低温跨声速风洞的技术难点我国已经建立这么多气动试验机构和设备，能力是不是已经完全满足试验要求?一则新闻一则旧闻2017年5月5日国产大飞机C919首飞成功《民用飞机设计与研究》2012年第1期C919高雷诺数试验声障飞行器跨声速飞行时，流动现象非常复杂，出现了亚、跨、超混合流场，并且在翼面上产生了激波。激波位置随扰动变化而变化，导致非定常脉动。跨声速流动的计算很难准确模拟，实验显得特别重要；风洞中建立跨声速流场存在壅塞、壁面反射干扰和洞壁干扰等困难需克服；2低温跨声速风洞2.1跨声速风洞概况实验段气流速度：0.8≤Ma1.4动力装置：多级轴流式风扇、引射结构类似亚声速风洞实验段壁为通气壁，通气壁外为驻室，驻室压力可调2低温跨声速风洞2.1跨声速风洞概况2低温跨声速风洞2低温跨声速风洞2.2相似准则2低温跨声速风洞2.2相似准则雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则；雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。在惯性力和粘性力起重要作用的流动中，欲使二几何相似的流动，满足动力相似条件，必须保证模型和实物的雷诺数相等；2低温跨声速风洞2.3雷诺数uLRe=μρuL增大运行总压提高运行速度增大试验段尺寸降低粘性系数L增大试验段尺寸法国S1MA跨声速风洞试验段直径：8m驱动功率：88MW总压：最高100个大气压，洞体采用70mm厚钢板ρ增大运行总压2低温跨声速风洞德荷联合风洞DNW的HDG风洞2低温跨声速风洞2.4我国跨声速风洞的水平2.4我国跨声速风洞的水平2低温跨声速风洞绵阳FL-26跨声速风洞2低温跨声速风洞现有常规跨声速风洞uLRe=2低温跨声速风洞uLRe=μ降低粘性系数2.5降低总温来提高雷诺数2低温跨声速风洞2.5降低总温来提高雷诺数2低温跨声速风洞2.5降低总温来提高雷诺数提高了实验Re数，扩大了风洞实验能力,并在获得高Re数的同时,动压和驱动功率可以接受。降低了动压和驱动功率,节省了运行费用；低温风洞可以独立地控制温度、压力、马赫数，具有唯一独立确定各参数对模型气动特性影响的能力。一、风洞概述二、为什么要建低温跨声速风洞三、低温跨声速风洞的发展现状四、低温跨声速风洞的技术难点3大型低温跨声速风洞发展现状大型低温跨声速风洞NTF（NationalTransonicFacility）ETW（EuropeanTransonicWindtunnel）KKK（KryoKanalKöln）美国Langley研究中心，最低总温78K最大总压9atm，建成于1982年德英法荷四国合建，位于德国科隆最低总温110K，最大总压4.5atm建成于1993年德国DLR，最低总温100K最大马赫数0.43大型低温跨声速风洞发展现状美国Langley研究中心NTF低温跨声速风洞3.1美国NTF风洞马赫数：0.2~1.2试验段尺寸：2.5m×2.5m总温：340K~78K总压：1~9大气压流体介质：低温氮气雷诺数：1.3e+7/m~4.8e+8/m3大型低温跨声速风洞发展现状3大型低温跨声速风洞发展现状ETW低温跨声速风洞3.2欧洲ETW风洞ETW风洞主要参数尺寸：2.0m（高）x2.4m（宽）马赫数：0.13~1.3总压范围：115kPa~450kPa温度范围：110K~313K3大型低温跨声速风洞发展现状3.2欧洲ETW风洞3大型低温跨声速风洞发展现状3.2欧洲ETW风洞ETW低温风洞结构示意图3大型低温跨声速风洞发展现状3.1欧洲ETW风洞ETW低温风洞液氮喷注装置和液氮储罐一、风洞概述二、为什么要建低温跨声速风洞三、低温跨声速风洞的发展现状四、低温跨声速风洞的技术难点4大型低温跨声速风洞主要技术难点（1）温度控制，包括液氮注入系统、保温系统、气态氮排出，一方面要精确的控制温度达到设定值，另一方面还要保证温度在试验段空间变化小；（2）系统综合运行，低温风洞系统复杂，可以控制的环节多，简单列一下，风洞总压、试验段抽吸、第二喉道、液氮注入流量、喷注喷嘴控制、风扇转速、气态氮排出，需要各系统协同运行；（4）大型连续跨声速风洞的设计、运行、管理，轴流压气机、防喘振等;（3）流场品质，其实第一点温度控制也是流场品质重要的一方面，这里的品质还包括湍流度、马赫数空间分布、压力脉动（涉及到液氮注入和气态氮排出）、噪声水平等;4大型低温跨声速风洞主要技术难点（5）洞体结构和材料、轴流压气机、天平、压力温度传感器等，各个组件和测试系统在极低温条件下的长时间稳定运行（约100K）；杨卫主任在讲话中指出：“国家决策在‘十三五’期间启动大型低温高雷诺数风洞、大型连续式跨声速风洞、大型低速风洞等一批世界顶尖风洞建设，全面提升我国航空航天技术自主创新能力。深入开展新一代风洞建设与应用领域的基础问题研究和关键技术研发，对我国国家战略意义十分重大”2017年8月2日基金委新闻敬请各位老师批评指正……