0.3 m低溫連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賴 歡, 陳萬華, 孫德文, 聶旭濤, 祝長江

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

目前，我國跨聲速風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬能力嚴(yán)重不足，已經(jīng)成為制約飛行器研制與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。理論和實(shí)踐表明降低來流總溫是提高雷諾數(shù)的最佳方法[1]。20世紀(jì)70年代以來，國外已建成20多座低溫風(fēng)洞[2]，絕大多數(shù)是用于摸索和解決低溫風(fēng)洞有關(guān)技術(shù)的研究型風(fēng)洞，而有3座為大型生產(chǎn)型低

溫風(fēng)洞，即德國1985年完成改建的大型低速低溫風(fēng)洞(KKK)、美國1982年建造的國家跨聲速設(shè)備(NTF)[3]和歐洲1990年建造的低溫跨聲速風(fēng)洞(ETW)[4]。

與常規(guī)風(fēng)洞不同，低溫風(fēng)洞運(yùn)行溫度低且溫差大(110～323 K)，運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行風(fēng)洞冷卻、風(fēng)洞回溫及快速改變?cè)囼?yàn)段溫度等流程，在風(fēng)洞溫度變化過程中，低溫會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的熱變形，大溫差使結(jié)構(gòu)熱變形呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化過程。洞體結(jié)構(gòu)熱變形將影響風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和氣動(dòng)性能，影響洞體結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)功能，因此必須對(duì)結(jié)構(gòu)熱變形進(jìn)行有效控制，減少其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的熱變形會(huì)對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和氣動(dòng)性能等產(chǎn)生很多影響，如風(fēng)洞軸線偏離理論軸線或產(chǎn)生夾角；風(fēng)洞內(nèi)部氣流表面產(chǎn)生較大臺(tái)階；風(fēng)洞氣動(dòng)型面產(chǎn)生偏差等。并且還會(huì)影響風(fēng)洞結(jié)構(gòu)安全和功能，如產(chǎn)生熱應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力；改變零部件間的配合特性，影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能；改變機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，引起機(jī)構(gòu)振動(dòng)等。

因此，如何控制洞體結(jié)構(gòu)熱變形，消除結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和氣動(dòng)性能的影響、消除結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)洞體結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)功能的影響等是低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需面對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)問題[5]，難點(diǎn)在于低溫金屬材料選型、結(jié)構(gòu)熱變形控制和洞體的絕熱保溫等。然而,國內(nèi)在低溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍處于起步階段，除中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)于20世紀(jì)90年代建成的0.1 m×0.1 m低速低溫風(fēng)洞[6]外，在低溫連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞研制方面沒有更多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。國外雖然已建成多座低溫風(fēng)洞,可以獲得其一些基本參數(shù)，但關(guān)于低溫結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方面的信息較少。

為解決低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，本文結(jié)合中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的0.3 m低溫連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(簡稱“0.3 m低溫風(fēng)洞”)的研制，對(duì)其洞體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹和深入分析，計(jì)算低溫下洞體結(jié)構(gòu)的熱變形、溫度和熱應(yīng)力，并在風(fēng)洞低溫試驗(yàn)過程中對(duì)洞體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。

1 風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)

0.3 m低溫風(fēng)洞的建設(shè)旨在探索并解決低溫高雷諾數(shù)連續(xù)式跨超聲速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)問題，同時(shí)作為獨(dú)立的試驗(yàn)研究平臺(tái)，可以進(jìn)行部分氣動(dòng)力試驗(yàn)和空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用性研究。

1.1 風(fēng)洞主要技術(shù)指標(biāo)

0.3 m低溫風(fēng)洞是我國首座低溫連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，如圖1所示，其為二級(jí)軸流式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式閉口回流風(fēng)洞，可實(shí)現(xiàn)常溫空氣和低溫氮?dú)?種方式運(yùn)行。當(dāng)采用干燥空氣為介質(zhì)運(yùn)行時(shí)，利用布置于第三拐角前的高效換熱器(水冷)吸收和平衡壓縮機(jī)釋放的熱量實(shí)現(xiàn)常溫運(yùn)行；當(dāng)采用氮?dú)庾鳛檫\(yùn)行介質(zhì)時(shí)，通過液氮噴射段向洞內(nèi)噴入液氮汽化吸熱實(shí)現(xiàn)低溫運(yùn)行。風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓范圍(0.2～4.5)×105Pa，穩(wěn)定段總溫范圍110～323 K。試驗(yàn)段尺寸為0.325 m(寬)×0.275 m(高)，試驗(yàn)段馬赫數(shù)為0.15～1.30，特征雷諾數(shù)為7×106(全模)。

圖1 0.3 m低溫風(fēng)洞實(shí)物

1.2 結(jié)構(gòu)總體方案

風(fēng)洞主洞體回路水平布置、中心線尺寸10.46 m(長)×2.88 m(寬),中心標(biāo)高1.5 m。由于風(fēng)洞運(yùn)行溫度范圍為110～323 K，并考慮到液氮噴射霧化時(shí)未完全汽化的液氮可能沉積在洞體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，致使風(fēng)洞結(jié)構(gòu)局部區(qū)域溫度低至液氮溫度，因此洞體結(jié)構(gòu)按最低溫度77 K設(shè)計(jì)。由于風(fēng)洞運(yùn)行壓力為(0.2～4.5)×105Pa(絕對(duì)壓力)，風(fēng)洞承壓殼體壓力最低按0.1×105Pa(絕對(duì)壓力)、最高按5×105Pa(絕對(duì)壓力)設(shè)計(jì)。

洞體回路由穩(wěn)定段、收縮段、噴管段、試驗(yàn)段、模型支架段、第二喉道段、第一擴(kuò)散段(簡稱“一擴(kuò)”)、第一拐角段(簡稱“一拐”)、液氮噴射段、壓縮機(jī)段[7](含第二拐角段)、壓縮機(jī)擴(kuò)散段1#、壓縮機(jī)擴(kuò)散段2#、換熱器段、第三拐角段(簡稱“三拐”)、氣氮排出段、第四拐角段(簡稱“四拐”)等部段組成，風(fēng)洞主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。換熱器段整體可拆卸，與壓縮機(jī)擴(kuò)散段2#替換使用。自收縮段至第二喉道段為夾層結(jié)構(gòu)。

風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)型式為積木式，各主要部段間采用法蘭聯(lián)結(jié)，便于部段的更換或維護(hù)。該風(fēng)洞中，由于試驗(yàn)段和第二喉道段調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)較多、更換的頻率及可能性較大，因此試驗(yàn)段支座設(shè)計(jì)為可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，需要時(shí)，試驗(yàn)段至第一拐角段可沿軸向右移一段距離即可對(duì)模型進(jìn)行操作。

圖2 低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 洞體結(jié)構(gòu)材料的選擇

根據(jù)使用位置和功能的不同，選取合適的結(jié)構(gòu)材料是低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要面對(duì)的問題之一。在低溫下風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)不僅要求有較高的強(qiáng)度，同時(shí)需要較好的低溫沖擊韌性。目前，承力構(gòu)件能夠采用的金屬材料不多，主要包括奧氏體不銹鋼、鎳合金等[8]。

由于使用要求不同，材料的低溫性能(包括機(jī)械性能、熱物性能等)、加工工藝性能、熱處理性能等指標(biāo)不夠全面，需要進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試或試驗(yàn)研究。比如：大型不銹鋼304L結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力消除問題、Nitronic50不銹鋼結(jié)構(gòu)熱處理制度(與低溫沖擊韌性相關(guān))、結(jié)構(gòu)熱計(jì)算所需材料性能參數(shù)不全面問題等，必須通過廣泛的調(diào)研、必要的測(cè)試、大量的工藝試驗(yàn)研究。并且在結(jié)構(gòu)材料選取時(shí)，盡可能減少鋼材品種；需選擇不同種材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用熱膨脹系數(shù)及隨溫度的變化特性相近的材料。

通過低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)材料選取和工藝研究，建立了低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)可選材料數(shù)據(jù)庫，可提供風(fēng)洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、機(jī)構(gòu)研究、風(fēng)洞結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)加工制造工藝制度等需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

因此，風(fēng)洞承壓殼體結(jié)構(gòu)選用304L不銹鋼材料，法蘭采用不銹鋼鍛件。ETW和NTF兩座風(fēng)洞的承壓殼體選用的材料即是304L(S30403)。低溫風(fēng)洞機(jī)構(gòu)構(gòu)件不僅要求材料在低溫下具備較大的延伸率、斷面收縮率和低溫沖擊韌性，同時(shí)還需要其在常溫和低溫下均有較高的硬度和屈服強(qiáng)度。綜合上述因素，低溫風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類構(gòu)件選用Nitronic50材料。

此外，洞體結(jié)構(gòu)中的隔熱塊或隔熱墊板選材時(shí)，要求材料導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱效果好、強(qiáng)度高(特別是壓縮強(qiáng)度)、耐低溫、適應(yīng)風(fēng)洞低溫環(huán)境。耐低溫復(fù)合材料[9-10]強(qiáng)度高，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)熱系數(shù)一般只有金屬材料的1/1000～1/100。目前應(yīng)用較多的耐低溫環(huán)氧復(fù)合材料G10，耐壓強(qiáng)度為450 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/(m·K)。因此，風(fēng)洞回路結(jié)構(gòu)中的隔熱塊或隔熱墊板材料擬選用G10。

2.2 洞體結(jié)構(gòu)熱變形控制

低溫風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)承受的溫度極低且溫度變化范圍大，極低的溫度使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的熱變形[11-12]，較大的溫度變化范圍使得結(jié)構(gòu)熱變形呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化過程。洞體結(jié)構(gòu)熱變形將影響風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和氣動(dòng)性能，影響洞體結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)功能[13-14]，必須對(duì)其進(jìn)行有效控制。

2.2.1 低溫風(fēng)洞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用結(jié)構(gòu)傳熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方法，采取駐室夾層內(nèi)腔的氣流換熱措施，設(shè)置從壓縮機(jī)擴(kuò)散段至駐室夾層的旁路，將壓縮機(jī)下游主氣流引入駐室夾層腔內(nèi)，并在試驗(yàn)段返回主氣流中，以便與內(nèi)部段結(jié)構(gòu)強(qiáng)制對(duì)流換熱，減少結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)熱變形，控制溫度附加應(yīng)力，確保風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的功能和安全。

設(shè)計(jì)時(shí)遵循外形對(duì)稱、漸變、敞開化的原則。盡量采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱外形；不連續(xù)零件間留有足夠大的圓弧半徑；厚薄不一致時(shí)有足夠斜度削薄過渡；傳熱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)部分盡量采取整體補(bǔ)強(qiáng)，少用補(bǔ)強(qiáng)圈；保證傳熱介質(zhì)與結(jié)構(gòu)表面充分均勻接觸換熱。

合理選取零部件的公差和配合。由于洞體結(jié)構(gòu)變溫范圍較寬，在未進(jìn)行溫度防護(hù)的部分，其設(shè)計(jì)公差無法完全按照常溫設(shè)計(jì)選取，配合性質(zhì)也會(huì)隨溫度變化而改變。一方面可通過計(jì)算確定其尺寸變化范圍，另一方面通過低溫試驗(yàn)研究，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.2 殼體熱變形控制

采用有限元方法計(jì)算洞體結(jié)構(gòu)殼體的結(jié)構(gòu)熱變形，當(dāng)回路殼體外表面溫度降至90 K時(shí)，殼體長軸方向收縮長度約為30 mm，短軸方向收縮長度約為12 mm。風(fēng)洞殼體在低溫下具有如此大的收縮量，故采用僅在壓縮機(jī)段設(shè)置固定點(diǎn)支座、回路其他位置在水平中心面內(nèi)設(shè)置單向?qū)蚧瑒?dòng)支座或多向滑動(dòng)支座的支座組合布置方案，如圖3所示。殼體兩側(cè)滑動(dòng)支座均設(shè)置在洞體軸線標(biāo)高位置，使回路結(jié)構(gòu)以壓縮機(jī)段為固定點(diǎn)自由收縮，釋放溫度產(chǎn)生的熱變形，并且保證其中心軸線的水平高度不變，減少殼體結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和性能的影響。

壓縮機(jī)底部設(shè)置的風(fēng)洞固定支座為插銷型式，約束洞體回路在水平面內(nèi)的長、短軸方向移動(dòng)，但允許洞體在鉛垂面內(nèi)的徑向熱變形，其不承受垂向載荷，但承受水平力和水平力產(chǎn)生的力矩。

圖3 風(fēng)洞回路支座

風(fēng)洞布置有2個(gè)單向?qū)蛑ё謩e位于壓縮機(jī)段和換熱器段正下方。其不承受垂向載荷，只承受滑動(dòng)方向的水平力和水平力產(chǎn)生的力矩，允許洞體回路沿長軸方向滑動(dòng)收縮，短軸方向不允許滑動(dòng)。

其他部段均采用自由滑動(dòng)支座，除承受垂向載荷外，還承受摩擦力，結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括支架、絕熱塊、盆式橡膠滑動(dòng)支座、殼體支座和防跳結(jié)構(gòu)等。盆式橡膠滑動(dòng)支座的滑動(dòng)接觸面之間具有較小的摩擦系數(shù)，確保風(fēng)洞洞體的熱變形不會(huì)引起較大的摩擦力。

圖4 自由滑動(dòng)支座結(jié)構(gòu)

2.2.3 內(nèi)部段熱變形控制

駐室內(nèi)部段均安放在內(nèi)支撐框架上。內(nèi)支撐框架采用中心標(biāo)高平面滑動(dòng)支撐、截面上下導(dǎo)向側(cè)向限位、收縮段入口和第一擴(kuò)散段出口軸向限位固定、支架段與第二喉道段之間軸向伸縮補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置方案，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部段在這2個(gè)固定點(diǎn)固定，并以固定點(diǎn)自由伸縮，來釋放溫度產(chǎn)生的熱變形，使其軸向、徑向位移約束均得到釋放，保證其中心軸線的恒定、部段間階差的要求。

噴管段的內(nèi)支撐框架結(jié)構(gòu)如圖6所示(其他內(nèi)部段類似)，為板焊U型框架。內(nèi)支撐框架的左右兩端以及正下方均為定位銷座，通過銷軸與駐室聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)軸向位移約束的同時(shí)釋放了框架的徑向伸縮變形，與駐室的徑向熱變形達(dá)成解耦。內(nèi)支撐框架的左右兩側(cè)設(shè)置四氟墊板，能夠承受內(nèi)部段的垂向載荷，以及減小內(nèi)部段與框架之間的滑動(dòng)摩擦力。內(nèi)支撐框架的正下方安裝軸向?qū)蛑ё?，用于限制?nèi)部段結(jié)構(gòu)的側(cè)向移動(dòng)，防止熱變形過程中其中心軸線側(cè)向位置發(fā)生改變。此外，為限制內(nèi)部段支座滑移面間因振動(dòng)產(chǎn)生的上下跳動(dòng)，支座滑移面間還安裝有防跳螺釘。

圖5 內(nèi)支撐框架結(jié)構(gòu)

圖6 噴管段內(nèi)支撐框架

此外，風(fēng)洞拐角段內(nèi)的導(dǎo)流片采用榫槽的連接方式，如圖7所示，可使上下導(dǎo)流片沿長度方向自由伸縮，以釋放導(dǎo)流片與殼體間的熱變形差。

圖7 導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)

2.3 洞體絕熱保溫

低溫風(fēng)洞運(yùn)行溫度低，與外環(huán)境的溫差大，為降低風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的液氮消耗量，同時(shí)提高風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)效率、確保人員安全，必須對(duì)風(fēng)洞洞體進(jìn)行絕熱保溫處理。低溫風(fēng)洞洞體的絕熱保溫有內(nèi)絕熱和外絕熱2種方式。內(nèi)絕熱方式的優(yōu)點(diǎn)為：一是承壓殼體的熱容不消耗液氮，能大幅度降低氮消耗；二是洞體結(jié)構(gòu)的預(yù)冷時(shí)間及溫度平衡時(shí)間短，風(fēng)洞吹風(fēng)效率高；三是承壓殼體采用內(nèi)絕熱，殼體結(jié)構(gòu)基本處于常溫工作環(huán)境，其設(shè)計(jì)與常溫風(fēng)洞基本相同，因此大型的低溫風(fēng)洞推薦采用內(nèi)絕熱方式。而外絕熱方式具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、易于檢查維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、熱容量小，所以0.3 m低溫風(fēng)洞采用外絕熱方式。

0.3 m低溫風(fēng)洞的外絕熱結(jié)構(gòu)主要由絕熱層、防潮層及保護(hù)層組成。在直管段、不活動(dòng)的法蘭處等大部分區(qū)域，設(shè)置固定式絕熱結(jié)構(gòu)，絕熱層由硬質(zhì)泡沫絕熱材料組成，總厚度約160 mm，主要采用現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝形成。在壓縮機(jī)、活動(dòng)的法蘭、人孔、閥門等位置和輔助管路使用金屬編織軟管及波紋管，設(shè)置可拆卸式絕熱結(jié)構(gòu)，絕熱層采用柔性泡沫絕熱材料，總厚度達(dá)到200 mm；柔性泡沫采用預(yù)制工藝，預(yù)制為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裁切等操作。硬質(zhì)泡沫絕熱材料為聚氨酯材料，柔性泡沫絕熱材料為福樂斯LT/LTD材料。防潮層由2層組成，緊挨著絕熱層的為聚酰亞胺復(fù)合鋁箔MAM，主要起防潮作用；在MAM表面裱糊低溫膠和玻璃布，起到防潮和保護(hù)防潮層的作用。保護(hù)層主要起到保護(hù)絕熱層的作用，防止絕熱層被外力損壞。

3 殼體有限元分析

針對(duì)低溫風(fēng)洞承壓殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、承載工況、功能作用等實(shí)際情況，采取基于工程經(jīng)驗(yàn)公式確定的熱交換系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱力學(xué)分析。

3.1 計(jì)算模型準(zhǔn)備

0.3 m低溫風(fēng)洞洞體的承壓殼體是整個(gè)洞體的外層殼體部段，主要由駐室、第一擴(kuò)散段、液氮噴射段、壓縮機(jī)段、壓縮機(jī)擴(kuò)散段1#、壓縮機(jī)擴(kuò)散段2#(換熱器段)、氣氮排出段以及4個(gè)拐角段等構(gòu)成。

計(jì)算模型準(zhǔn)備過程中，首先嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求建立和裝配好三維結(jié)構(gòu)模型；其次權(quán)衡總體計(jì)算的目的需求以及計(jì)算資源的合理優(yōu)化利用，對(duì)結(jié)構(gòu)模型作了一定的簡化，具體包括：一是保留駐室大開口結(jié)構(gòu)，忽略所有人孔、穿線孔、預(yù)留安裝孔等孔洞結(jié)構(gòu)；二是不考慮液氮噴射段凸出結(jié)構(gòu)以及排架的影響，簡化成圓錐筒體。

3.2 計(jì)算工況條件

采用穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)數(shù)值方法，對(duì)3種工況條件下的風(fēng)洞洞體回路的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，充分分析洞體回路的熱力學(xué)行為。這些工況條件分別為：

(1) 工況1，殼體外表面溫度常溫，承壓0.375 MPa，使用壓縮機(jī)擴(kuò)散段2#；

(2) 工況2，穩(wěn)態(tài)分析，環(huán)境溫度295 K，殼體外表面溫度90 K且承壓0.450 MPa，使用換熱器段；

(3) 工況3，瞬態(tài)計(jì)算，7200 s內(nèi)，流場(chǎng)溫度從295 K降至90 K，殼體不承壓，使用換熱器段。

瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，設(shè)置回路殼體內(nèi)表面與流場(chǎng)之間的對(duì)流換熱系數(shù)如圖8所示。其中，駐室夾層內(nèi)低溫氣體流動(dòng)較慢，視為自然對(duì)流情形，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為5 W/(m2·K)；除此之外，低溫氣體流動(dòng)較快，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為20 W/(m2·K)。0.3 m低溫風(fēng)洞采用外絕熱方式，其回路殼體外表面按絕熱邊界條件處理。

圖8 風(fēng)洞洞體回路對(duì)流換熱系數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果

(1) 工況1

圖9顯示了工況1條件下的回路應(yīng)力結(jié)果?？梢钥吹?，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第四拐角段，約為109 MPa，小于結(jié)構(gòu)材料304L的屈服應(yīng)力200 MPa。

圖9 工況1時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

(2) 工況2

圖10顯示了工況2條件下的回路熱變形結(jié)果?？梢钥吹剑畲笞冃挝灰瞥霈F(xiàn)在第四拐角段，約為29.4 mm。此時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力為0 MPa。同時(shí)，由于對(duì)回路結(jié)構(gòu)施加了氣動(dòng)壓力，試驗(yàn)部段的結(jié)構(gòu)變形有所增加。

圖11顯示了工況2條件下的回路結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果?？梢钥吹剑瑲鈩?dòng)壓力作用下，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為105 MPa，出現(xiàn)在換熱器段的駐室區(qū)域。

圖10 工況2時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)熱變形云圖

圖11 工況2時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

(3) 工況3

圖12顯示了降溫7200 s時(shí)，洞體回路的瞬態(tài)溫度分布結(jié)果?？梢钥吹剑捎跓峤粨Q系數(shù)、結(jié)構(gòu)殼體厚度等因素的影響，結(jié)構(gòu)的溫度分布不均勻，其中，拐角導(dǎo)流片低至約110 K，而多個(gè)部段如穩(wěn)定段的法蘭結(jié)構(gòu)溫度約250 K。

圖12 工況3時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)溫度云圖

圖13顯示了降溫7200 s時(shí)，洞體回路的瞬態(tài)變形結(jié)果?？梢钥吹剑畲笞冃挝灰迫猿霈F(xiàn)在第四拐角段，約為19 mm，與穩(wěn)態(tài)結(jié)果相比少了近10 mm。

圖14顯示了降溫7200 s、僅考慮結(jié)構(gòu)溫差作用時(shí)洞體回路的瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果?？梢钥吹剑Y(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大約為95 MPa，出現(xiàn)在換熱器段的駐室區(qū)域。此外，收縮段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力約75 MPa，壓縮機(jī)擴(kuò)散段1#的最大等效應(yīng)力約85 MPa。

圖15顯示了降溫7200 s、考慮結(jié)構(gòu)溫差和氣動(dòng)載荷的共同作用時(shí)洞體回路的瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果?？梢钥吹?，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力有所增加，最大約為110 MPa，仍出現(xiàn)在換熱器段的駐室區(qū)域，小于結(jié)構(gòu)材料304L的屈服應(yīng)力200 MPa，安全系數(shù)大于1.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 工況3時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)熱變形云圖

圖14 工況3時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖一

圖15 工況3時(shí)洞體回路結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖二

4 殼體應(yīng)力測(cè)量

根據(jù)前期風(fēng)洞結(jié)構(gòu)有限元仿真的初步結(jié)果，在洞體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置溫度、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)控洞體結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)使用壓縮機(jī)擴(kuò)散段2#。

4.1 測(cè)點(diǎn)分布

在增壓試驗(yàn)與低溫試驗(yàn)過程中對(duì)10個(gè)重點(diǎn)位置進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，如圖16所示，測(cè)點(diǎn)分別位于第二拐角段、液氮噴射段、第一拐角段、第四拐角段、第三拐角段、氣氮排出管、氣氮排出段、第三拐角段直筒和橢圓環(huán)內(nèi)側(cè)、氣氮排出段與第三拐角段之間。

試驗(yàn)過程中，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)承受溫度、氣壓、重力等載荷的共同作用，內(nèi)部應(yīng)力分布比較復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地將應(yīng)變片貼在主應(yīng)力方向，而且單軸應(yīng)變片的粘貼也會(huì)引起一定的測(cè)量誤差。所以，針對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在3個(gè)方向(0°、45°和90°)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為避免溫度引起的應(yīng)變計(jì)漂移誤差[15]，采取了2片工作片(洞體)、2片補(bǔ)償片(補(bǔ)償塊)組成1個(gè)完整惠斯通電橋的方案。圖17展示了清洗管道與風(fēng)洞洞體相連區(qū)域的應(yīng)變片布置情況。

圖16 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布圖

圖17 應(yīng)力傳感器

粘貼傳感器時(shí)，必須對(duì)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行局部處理，保證傳感器能夠緊密貼合在結(jié)構(gòu)表面上。粘貼時(shí)，傳感器與結(jié)構(gòu)之間涂上剛性較好的低溫膠，傳感器背面涂上彈性較好的防護(hù)膠。

4.2 氣壓試驗(yàn)測(cè)量

風(fēng)洞增壓至0.375 MPa，經(jīng)監(jiān)測(cè)，此時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力值如表1所示。

圖18列出了風(fēng)洞內(nèi)壓為0.375 MPa時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算值與測(cè)量值。從結(jié)果來看，計(jì)算值大多偏小，考慮在實(shí)際的測(cè)量過程中，為避免溫度引起的應(yīng)變計(jì)漂移誤差所采取的溫度補(bǔ)償措施、應(yīng)變片粘貼方式在低溫下只是初次使用，存在一定的測(cè)量誤差，并且洞體實(shí)際結(jié)構(gòu)存在制造誤差、仿真計(jì)算的結(jié)構(gòu)建模誤差等因素，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平可信。

表1 0.375 MPa時(shí)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值Table 1 Measured stress value at 0.375 MPa

圖18 0.375 MPa時(shí)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

4.3 低溫試驗(yàn)測(cè)量

試驗(yàn)初始溫度約為300 K，試驗(yàn)壓力為0.15 MPa。經(jīng)過約2 h的降溫，風(fēng)洞流場(chǎng)溫度為200 K;流場(chǎng)溫度200 K持續(xù)約40 min，經(jīng)過約2.5 h的回溫，風(fēng)洞第一拐角段結(jié)構(gòu)溫度恢復(fù)至285 K。圖19給出了各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)溫度變化曲線?？梢钥吹?，當(dāng)?shù)谝还战嵌螝んw溫度低至200 K時(shí)，噴管段外駐室殼體溫度還在273 K以上，整體結(jié)構(gòu)溫度相差約72.8 K；而在局部區(qū)域，由于內(nèi)流場(chǎng)溫度不均勻，第一拐角段下部比中部高4.5 K，與工況3瞬態(tài)時(shí)洞體的溫度分布規(guī)律一致。

7200 s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況如表2所示，風(fēng)洞回路結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平不高，局部會(huì)達(dá)到70 MPa左右。

圖19 溫度變化曲線

表2 200 K時(shí)應(yīng)力實(shí)測(cè)值Table 2 Measured stress value at 200 K

5 結(jié) 論

(1) 通過合理選取洞體結(jié)構(gòu)材料、采取結(jié)構(gòu)熱變形控制和隔熱防熱設(shè)計(jì)等技術(shù)措施，解決了低溫及溫度變化給風(fēng)洞結(jié)構(gòu)帶來的影響，保證了低溫風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)高效、安全、可靠運(yùn)行；

(2) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出的洞體回路結(jié)構(gòu)的熱變形位移，合理設(shè)計(jì)洞體回路支撐結(jié)構(gòu)和內(nèi)部段支撐框架結(jié)構(gòu)，確?；芈肪哂凶銐虻淖冃慰臻g、且在熱變形過程中其中心軸線位置不會(huì)發(fā)生改變；

(3) 風(fēng)洞洞體的強(qiáng)度滿足風(fēng)洞的運(yùn)行要求。結(jié)構(gòu)溫差與氣動(dòng)載荷共同作用下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約110 MPa左右，小于材料的屈服強(qiáng)度200 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全要求；

(4) 采取駐室夾層內(nèi)腔的氣流換熱措施，大幅度降低內(nèi)部段結(jié)構(gòu)溫度梯度和不均勻性，保證了結(jié)構(gòu)在降溫過程中熱應(yīng)力不超出許用值；

(5) 風(fēng)洞的動(dòng)態(tài)綜合性能調(diào)試及應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果表明，風(fēng)洞機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況及定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行。