大型低温跨声速风洞

2 低温跨声速风洞
2.1 跨声速风洞概况
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；

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
NTF（National Transonic Facility） 美国Langley研究中心，最低总温 78K 最大总压9atm，建成于1982年 ETW（European Transonic Windtunnel） 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 KKK（Kryo Kanal Köln） 德国DLR，最低总温100K 最大马赫数0.4
1 风洞概述
1.4 风洞的分类 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 最常用的是按马赫数范围分类
1 风洞概述
1.4 风洞的分类
风洞按实验段气流马赫数分为：

低速风洞
Ma < 0.4
0.4 ≤ Ma <
0.8 ≤ Ma < 1.4 ≤ Ma < 5
2.3 雷诺数

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；
uL Re =
μ ρ u L
降低粘性系数
增大运行总压
提高运行速度 增大试验段尺寸
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……
大型低温跨 声速风洞
3 大型低温跨声速风洞发展现状
3.1 美国NTF风洞
美国Langley研究中心NTF低温跨声速风洞
3 大型低温跨声速风洞发展现状
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/m
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；
实际飞行的状态
气流静止，飞行器运动
风洞实验的状态
气流运动，飞行器静止
1 风洞概述
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
亚声速风洞 0.8
跨声速风洞 1.4

超声速风洞

高超声速风洞
Ma≥5
1 风洞概述
1.5 风洞的地位和作用 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。 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。 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。
大型低温跨声速风洞
水动力实验设备
水洞、水槽、水池
流体力学实 验模拟设备
空气动力实验设备
各种类型的风洞
其它实验设备
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。
（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）大型连续跨声速风洞的设计、运行、管理，轴流压气机、 防喘振等;
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）；
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
一则新闻 一则旧闻
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?
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
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≤Ma<1.4 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 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
2 低温跨声速风洞
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；
3 大型低温跨声速风洞发展现状
3.2 欧洲ETW风洞
ETW风洞主要参数 尺寸： 2.0m（高）x 2.4m （宽） 马赫数：0.13~1.3
总压范围： 115kPa~450kPa
ETW低温跨声速风洞
温度范围： 110K~313K
3 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
2 低温跨声速风洞
uL Re =
现有常规跨声速风洞
2 低温跨声速风洞
2.5 降低总温来提高雷诺数
μ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ降低粘性系数
uL Re =
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 。
L
增大试验段尺寸
试验段直径：8m 驱动功率：88MW
法国S1MA跨声速风洞
ρ
2 低温跨声速风洞
增大运行总压
德荷联合风洞DNW的HDG风洞
总压：最高100个大气压，洞体采用70mm厚钢板
2 低温跨声速风洞
2.4 我国跨声速风洞的水平
2 低温跨声速风洞
2.4 我国跨声速风洞的水平 绵阳FL-26跨声速风洞