王鐵進(jìn)，施岳定，鄧志強(qiáng)，黃炳修，＊

（1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074；2.空軍駐京西地區(qū)軍事代表室，北京 100074）

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能方案研究

王鐵進(jìn)1，施岳定1，鄧志強(qiáng)2，黃炳修1，＊

（1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074；2.空軍駐京西地區(qū)軍事代表室，北京 100074）

為了適應(yīng)高超聲速飛行器發(fā)展的要求，常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的建設(shè)規(guī)模向2m量級(jí)發(fā)展。但是，隨著風(fēng)洞尺寸的增加，風(fēng)洞運(yùn)行所耗費(fèi)的能源劇增。如何在滿足高超聲速飛行器試驗(yàn)對(duì)風(fēng)洞尺寸要求的條件下，節(jié)省風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的能量消耗，已成為常規(guī)高超聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展必須考慮的重要問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，從常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局的角度進(jìn)行了初步探索。首先總結(jié)了現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局；在此基礎(chǔ)上，對(duì)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的能量運(yùn)行特點(diǎn)，以及不同布局中工作氣體余熱的處理情況進(jìn)行了分析；然后結(jié)合常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行特點(diǎn)，分析了風(fēng)洞中可能采用的余熱利用技術(shù)；最后，提出了一種基于余熱利用的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞布局方案，并對(duì)該方案中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論。文中對(duì)于該方案的節(jié)能情況進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，該方案相對(duì)于已有的氣動(dòng)布局具有明顯的節(jié)能效果。

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞；氣動(dòng)方案；節(jié)能；高超聲速；高超聲速飛行器

0 引 言

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞是以純凈空氣為工作介質(zhì)和以對(duì)流方式加熱的高超聲速風(fēng)洞，是高超聲速飛行器研制必備的試驗(yàn)設(shè)備。20世紀(jì)50年代，為了滿足高超聲速飛行器研制需要，人們開(kāi)始建造常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，自此以后，隨著高超聲速飛行器的不斷發(fā)展，常規(guī)高超聲速風(fēng)洞一直處于改造和建設(shè)之中，設(shè)備的規(guī)模越來(lái)越大。以風(fēng)洞噴管的出口尺寸計(jì)，常規(guī)高超聲速風(fēng)洞從最初的200～300mm量級(jí)，主要解決彈頭等簡(jiǎn)單飛行器外形的氣動(dòng)研究和驗(yàn)證問(wèn)題；發(fā)展到500～700mm量級(jí)，主要解決飛船等帶表面凸起的飛行器外形的氣動(dòng)研究和驗(yàn)證問(wèn)題；再發(fā)展到目前的1000～1200mm量級(jí)，可解決航天飛機(jī)等較復(fù)雜飛行器外形的氣動(dòng)研究和驗(yàn)證問(wèn)題［1－2］。展望今后高超聲速飛行器的發(fā)展，美國(guó)已經(jīng)對(duì)2400～3000mm量級(jí)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞提出建設(shè)需求［3］。

但是，隨著風(fēng)洞尺寸的增加，風(fēng)洞運(yùn)行所耗費(fèi)的能源迅速增加［4］。以常規(guī)高超聲速風(fēng)洞在馬赫數(shù)5至8時(shí)所需的加熱功率為例，不同尺寸的風(fēng)洞所需加熱功率為：500～700mm量級(jí)，所需加熱功率約6～8MW；1000～1200mm量級(jí)，所需加熱功率約40～50MW；2400～3000mm量級(jí)，所需加熱功率約250～320MW。

如何在滿足高超聲速飛行器試驗(yàn)對(duì)風(fēng)洞尺寸要求的條件下，節(jié)省風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)的能量消耗，已成為常規(guī)高超聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展必須考慮的重要問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文從常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局角度進(jìn)行了初步探索。首先總結(jié)現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局；在此基礎(chǔ)上，對(duì)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中的能量運(yùn)行特點(diǎn)，以及不同布局中工作氣體余熱的處理情況進(jìn)行分析；然后，結(jié)合常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行特點(diǎn)，分析風(fēng)洞中可能采用的余熱利用技術(shù)；最后，提出一種基于余熱利用的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞布局方案，并對(duì)該方案中的各種關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局

按照常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行方式，風(fēng)洞的氣動(dòng)總體布局分成3類，第一類是暫沖式，第二類是連續(xù)式，第三類是暫沖－連續(xù)混合式。3類常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)總體布局各有其特點(diǎn)，在實(shí)際建成的風(fēng)洞中均有應(yīng)用。迄今為止，絕大多數(shù)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，無(wú)論尺度大小，功能如何，采用的大多是暫沖式氣動(dòng)布局；采用連續(xù)式氣動(dòng)布局的風(fēng)洞較少，最典型的是美國(guó)AEDC的B、C風(fēng)洞［5－7］；采用暫沖－連續(xù)混合式氣動(dòng)布局的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞更少，最典型的是美國(guó)Langley的1251A風(fēng)洞。現(xiàn)將3類氣動(dòng)布局的形式總結(jié)如下［8－10］。

1.1 暫沖式氣動(dòng)布局

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的暫沖式布局也有3種形式：引射式、真空式以及引射－真空混合式。典型的引射式布局形式和真空式布局形式的示意圖如圖1和2所示。

圖1 引射－暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局Fig.1 Injector type intermittent aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

圖2 真空－暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局Fig.2 Vacuum type intermittent aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

為了獲得更寬的馬赫數(shù)、雷諾數(shù)模擬范圍，常規(guī)高超聲速風(fēng)洞還可采用引射－真空混合式布局，如圖3所示。

圖3 引射＆真空－暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局Fig.3 Injector ＆vacuum type intermittent aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行方式是氣罐中的壓縮空氣經(jīng)過(guò)加熱系統(tǒng)后達(dá)到所需的溫度，然后通過(guò)型面噴管，在試驗(yàn)段形成試驗(yàn)所需的高超聲速流場(chǎng)，最后經(jīng)由超聲速擴(kuò)散段升壓后進(jìn)入引射排氣系統(tǒng)，排入大氣，或經(jīng)過(guò)冷卻器進(jìn)入真空系統(tǒng)，然后由真空泵系統(tǒng)排入大氣。

1.2 連續(xù)式氣動(dòng)布局

典型的連續(xù)式布局的示意圖如圖4所示。

圖4 連續(xù)式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局Fig.4 Continuous aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

連續(xù)式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行方式是：封閉管路系統(tǒng)中一定密度的空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)系統(tǒng)升壓，再經(jīng)過(guò)加熱系統(tǒng)升溫，達(dá)到建立流場(chǎng)所需的壓力和溫度，然后通過(guò)型面噴管，在試驗(yàn)段形成試驗(yàn)所需馬赫數(shù)的流場(chǎng)；完成試驗(yàn)功能的氣流經(jīng)由超聲速擴(kuò)散段初步升壓后，進(jìn)入冷卻器，降溫后由真空系統(tǒng)進(jìn)一步升壓，進(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)歷下一個(gè)循環(huán)。

1.3 暫沖－連續(xù)混合式氣動(dòng)布局

暫沖－連續(xù)混合式氣動(dòng)布局常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，結(jié)合了連續(xù)式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和真空布局的暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的特點(diǎn)，可以模擬的飛行高度更高，相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍更大，可達(dá)到的馬赫數(shù)更大。

Langley的1251A風(fēng)洞就采用了這種布局方案，其示意圖如圖5所示。

圖5 暫沖－連續(xù)混合式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局Fig.5 Intermittent ＆continuous aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

暫沖－連續(xù)混合式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行方式是，通過(guò)關(guān)、啟相應(yīng)支路上的閥門(mén)，風(fēng)洞既可以按連續(xù)式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的方式運(yùn)行，也可以按真空布局的暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的方式運(yùn)行。

2 現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的能量運(yùn)行分析

在常規(guī)高超聲速風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中，是否存在可節(jié)省的能量，需要從常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中能量流通的過(guò)程來(lái)分析。

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行過(guò)程可近似用理想氣體的一維流動(dòng)理論來(lái)描述。根據(jù)此理論，一定流量的空氣，在常規(guī)高超聲速風(fēng)洞噴管出口形成所需馬赫數(shù)的流場(chǎng)，需要2種能量，壓力勢(shì)能和熱能；2種能量分別由壓縮機(jī)系統(tǒng)和加熱器系統(tǒng)提供，如圖6所示。

圖6 常規(guī)高超聲速風(fēng)洞運(yùn)行中能量的變化過(guò)程Fig.6 Energy change during operation of hypersonic wind tunnel

經(jīng)過(guò)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞噴管后，氣體中2種能量大部分轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能。根據(jù)理想氣體的一維流動(dòng)理論，噴管內(nèi)的流動(dòng)為一維等熵流動(dòng)，噴管僅起能量轉(zhuǎn)化的作用，而進(jìn)入噴管的氣體總能量與噴管出口的氣體總能量相等。

在試驗(yàn)段內(nèi)，由于激波的作用，氣體損失掉大部分的勢(shì)能，而熱能未損失。流出試驗(yàn)段后，氣體完成了試驗(yàn)功能，成為廢氣，排入超擴(kuò)段，而廢氣包含著未損失的熱能。風(fēng)洞運(yùn)行中氣流能量的主要變化過(guò)程如圖6所示。

上述分析給出了常規(guī)高超聲速風(fēng)洞所有氣動(dòng)布局共同的能量運(yùn)行特點(diǎn)：風(fēng)洞運(yùn)行需要熱能，但基本不損耗熱能；風(fēng)洞的廢氣包含著未損失的熱能。但是，各氣動(dòng)布局的能量運(yùn)行又有各自不同的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在各氣動(dòng)布局對(duì)于廢氣中熱能的處理上。在暫沖－引射式氣動(dòng)布局中，超擴(kuò)段中廢氣的熱能，隨廢氣通過(guò)亞擴(kuò)段和消音塔直接排入大氣中；在暫沖－真空式氣動(dòng)布局中，超擴(kuò)段中廢氣進(jìn)入冷卻器，廢氣的熱能通過(guò)冷卻器全部消耗掉，廢氣再經(jīng)真空系統(tǒng)排入大氣；在連續(xù)式氣動(dòng)布局中，超擴(kuò)段中廢氣先進(jìn)入冷卻器，廢氣的熱能通過(guò)冷卻器全部消耗掉，然后廢氣被增壓回收，循環(huán)利用。后2種布局不回收廢氣中的熱能，還要再損失冷卻器運(yùn)行所需的能量。

上述分析基于理想流體的理論，未考慮氣體沿程的熱損失；實(shí)際風(fēng)洞運(yùn)行中，氣體沿程的熱損失是確實(shí)存在的。根據(jù)邊界層理論，可以初步估計(jì)出廢氣中包含的熱能，其值約為氣體總加熱量的80%。

3種典型氣動(dòng)布局的熱能損失位置及量級(jí)如表1所示，表中還給出了運(yùn)行冷卻器消耗熱能時(shí)的附加能量損失的量級(jí)。能量的量級(jí)用熱能損失的量占?xì)怏w被加熱的總熱量百分比表示。

表1 3種典型布局的熱能損失位置及量級(jí)Table 1 Location and magnitude of thermal losses in three typical layouts

3 大尺度常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能氣動(dòng)布局

由上節(jié)的分析可知，現(xiàn)有的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局均未進(jìn)行剩余熱量回收。為了降低新建大尺度常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行成本，在設(shè)計(jì)和建設(shè)前，需要研究常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的剩余能量回收技術(shù)，并將之應(yīng)用于風(fēng)洞氣動(dòng)布局中，找到適合大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的新型布局。

3.1 常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的剩余熱能的回收形式

到目前為止，現(xiàn)有的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)中從未考慮過(guò)剩余熱能的回收問(wèn)題，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可利用。這個(gè)問(wèn)題的解決需要借助工業(yè)上余熱回收的做法。工業(yè)上余熱回收有3種方法［11］，一是用蓄熱材料回收，二是轉(zhuǎn)化為其他能量形式，三是換熱回收。3種方法各有特點(diǎn)，適用范圍也各不相同。蓄熱材料回收法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，適用于總熱量少，需要方便移動(dòng)的情況；轉(zhuǎn)化為其他能量的方法適用于余熱量大且連續(xù)供應(yīng)的情況，通常轉(zhuǎn)化設(shè)備復(fù)雜；換熱回收法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，通過(guò)換熱器，將余熱轉(zhuǎn)移給需要加熱的其他介質(zhì)。

大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中剩余熱量的特點(diǎn)是總量大，持續(xù)時(shí)間短，不連續(xù)供應(yīng)。結(jié)合余熱回收方法適用范圍的分析可知，適合大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中余熱回收的方法是換熱回收法，即余熱回收通過(guò)將剩余熱能轉(zhuǎn)移給風(fēng)洞來(lái)流實(shí)現(xiàn)。

3.2 大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能氣動(dòng)布局

經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局均能保證風(fēng)洞流場(chǎng)具備優(yōu)良的流場(chǎng)品質(zhì)。大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)既要滿足模擬范圍，保證流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)良，又要滿足節(jié)能，這就需要從技術(shù)成熟的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局中選擇出能與余熱回收技術(shù)相結(jié)合的氣動(dòng)布局，并將余熱回收技術(shù)應(yīng)用于選擇出的氣動(dòng)布局中。

根據(jù)本文第2節(jié)中關(guān)于現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局特點(diǎn)的分析可知，引射＆真空－暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局既具有較寬的馬赫數(shù)和雷諾數(shù)模擬范圍，而且在參數(shù)模擬范圍內(nèi)流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)良，又易于結(jié)合換熱回收技術(shù)。將兩者結(jié)合得到的適合于大尺度常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的氣動(dòng)布局如圖7所示。

圖7 大尺度常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能氣動(dòng)布局Fig.7 Large scale energy－saving aerodynamic layout of conventional hypersonic wind tunnel

3.3 大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能氣動(dòng)布局的可行性

這種布局形式是在暫沖式常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的引射－真空布局形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合余熱回收技術(shù)得到新的布局形式，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行方式上的改變。結(jié)構(gòu)形式上的主要改變包括：第一，在引射分支和真空分支前，超聲速擴(kuò)散段后增設(shè)換熱器；第二，氣源出來(lái)的氣體不是直接進(jìn)入加熱系統(tǒng)，而是先經(jīng)過(guò)換熱器，再進(jìn)入加熱系統(tǒng)；第三，去掉了真空分支的冷卻器。

這種布局形式的運(yùn)行方式是：從氣源出來(lái)的氣流經(jīng)過(guò)換熱器初步加熱，再輸送到加熱器進(jìn)一步加熱，達(dá)到相應(yīng)馬赫數(shù)所需的溫度，然后經(jīng)穩(wěn)定段、噴管，在試驗(yàn)段形成流場(chǎng)；試驗(yàn)后的氣流經(jīng)超聲速擴(kuò)散段減速增壓，在換熱器中對(duì)冷氣流加熱，然后進(jìn)入引射分支或真空分支，排入大氣。

實(shí)現(xiàn)這種節(jié)能布局的關(guān)鍵技術(shù)是高效換熱器的設(shè)計(jì)。在這種換熱器中，加熱氣流為高溫低壓氣流；被加熱氣流為高壓氣流，其流量與加熱氣流的相同；換熱過(guò)程要求快速且充分。如何設(shè)計(jì)出適合這種節(jié)能布局的高效換熱器，需要解決以下問(wèn)題，一是換熱器的機(jī)理如何確定，二是換熱器的性能參數(shù)如何計(jì)算，三是換熱器的結(jié)構(gòu)形式如何確定，等等。

普通換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需要將冷、熱介質(zhì)的傳輸管道交叉，利用管壁的熱傳導(dǎo)換熱［12］。如果風(fēng)洞節(jié)能布局中的換熱器采用普通換熱器設(shè)計(jì)方案，則設(shè)計(jì)時(shí)需要將風(fēng)洞的超擴(kuò)段從風(fēng)洞的高壓進(jìn)氣管道中穿過(guò)。由于超擴(kuò)段內(nèi)的加熱氣流為高溫低壓氣流，進(jìn)氣管中的被加熱氣流為高壓氣流，而且兩者流量相同，因此，超擴(kuò)段的直徑遠(yuǎn)大于進(jìn)氣管道直徑，而進(jìn)氣管道內(nèi)的氣流壓力遠(yuǎn)大于超擴(kuò)段內(nèi)的氣流壓力。采用交叉結(jié)構(gòu)形式的換熱器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大、熱損失大、傳熱速度慢以及換熱效率低。

為解決上述問(wèn)題，需要采用換熱方式不同于普通換熱器的新型換熱器。一種可行的方案是換熱器采用“架橋”的結(jié)構(gòu)形式。在此方案中，輸送冷、熱氣體的管道不需要直接交叉，依靠壁面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，而需要在冷、熱氣體間設(shè)置熱管作為熱量傳輸?shù)臉蛄?。用熱管傳熱的換熱器的原理如圖8所示。

由于熱管傳熱速度快，傳熱效率高，只傳輸冷熱氣體間的熱量，因此，相對(duì)于普通換熱器，用熱管傳熱的換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、熱損失小且傳熱效率高。

目前，適用于常規(guī)高超聲速風(fēng)洞所需溫度、壓力范圍內(nèi)的熱管，技術(shù)已經(jīng)成熟，可選擇的種類很多，價(jià)格也比較便宜［13］。采用熱管傳熱的換熱器的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)可行，但尚需在實(shí)際應(yīng)用中不斷地優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和性能。

圖8 用熱管傳熱的換熱器的原理Fig.8 Principle of heat exchanger using heat pipe

4 新方案的節(jié)能分析

通過(guò)第2節(jié)中對(duì)于高超聲速風(fēng)洞工作階段能量運(yùn)行的分析，得知風(fēng)洞工作時(shí)存在熱能的浪費(fèi)，因此，在保留暫沖－引射方案流場(chǎng)品質(zhì)高特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加余熱回收技術(shù)得到了新的風(fēng)洞方案。實(shí)際上，高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行過(guò)程不僅包括工作階段，還包括起動(dòng)階段和結(jié)束階段。在起動(dòng)階段，主要進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)，使來(lái)流滿足風(fēng)洞工作狀態(tài)的總溫和總壓要求。風(fēng)洞工作完成后，不需要來(lái)流保持工作時(shí)的狀態(tài)，主要閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，風(fēng)洞運(yùn)行進(jìn)入結(jié)束階段，直到閥門(mén)完全關(guān)閉，該階段完成。高超聲速風(fēng)洞運(yùn)行的起動(dòng)階段和結(jié)束階段均需要消耗大量的熱能，新布局方案的節(jié)能分析需分段進(jìn)行。

在風(fēng)洞工作階段，如2.1節(jié)所述，考慮到氣流的沿程熱損失，風(fēng)洞工作階段剩余熱量估計(jì)為總加熱量的80%；考慮到熱管傳熱的換熱器效率比較高，應(yīng)該具有不低于80%的換熱效率。因此，新布局方案在風(fēng)洞工作階段可節(jié)省的熱量不低于加入熱能的64%。

在起動(dòng)階段，由于氣流的總溫和總壓不滿足試驗(yàn)要求，在已有的方案中，這些氣流的熱量通常被損耗掉。風(fēng)洞的起動(dòng)階段時(shí)間越長(zhǎng)，損耗的熱量越多。時(shí)間長(zhǎng)短主要與馬赫數(shù)、總溫、總壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)方法等因素有關(guān)，例如，對(duì)于采用蓄熱式加熱器和冷熱氣流摻混調(diào)節(jié)總溫的風(fēng)洞，起動(dòng)階段的時(shí)間約為60～100s，通常，馬赫數(shù)低時(shí)時(shí)間短，馬赫數(shù)高時(shí)時(shí)間長(zhǎng)；對(duì)于采用直接加熱的風(fēng)洞，起動(dòng)階段的時(shí)間約為600～900s。當(dāng)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞采用新布局方案時(shí)，由于采用了余熱回收技術(shù)，再考慮到噴管在風(fēng)洞起動(dòng)階段的沿程損失小于工作階段的損失，節(jié)省的熱能不低于加入熱能的70%。

結(jié)束階段的熱能損耗取決于風(fēng)洞關(guān)閉系統(tǒng)的速率。在已有的方案中，這些氣流的熱量被損耗掉；在新方案中，由于余熱回收技術(shù)的局限性，這些氣流的熱量也無(wú)法回收。另外，風(fēng)洞試驗(yàn)全部結(jié)束后，加熱器的余熱在新方案和已有方案中均沒(méi)有回收。相應(yīng)的回收技術(shù)如何與風(fēng)洞方案結(jié)合還需進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 論

在總結(jié)現(xiàn)有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局的基礎(chǔ)上，結(jié)合大尺寸常規(guī)高超聲速風(fēng)洞能量運(yùn)行的特點(diǎn)，給出了一種新的大尺度常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)布局形式，該布局形式是節(jié)能的。同時(shí)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這種布局形式的關(guān)鍵技術(shù)——換熱器，也給出了一種可行的方案。

鑒于本研究尚屬常規(guī)高超聲速風(fēng)洞節(jié)能布局的初步研究，對(duì)于該氣動(dòng)布局更加詳細(xì)的問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)及控制等，均需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。＇

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Preliminary study on energy－saving layout for conventional hypersonic wind tunnel

Wang Tiejin1，Shi Yueding1，Deng Zhiqiang2，Huang Bingxiu1，＊
（1.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074；2.Office of Military Delegates from Airforce in West Region of Beijing，Beijing 100074）

With the development of hypersonic vehicles，the large－scale conventional hypersonic wind tunnel with nozzle exit diameter of 2m order of magnitude is required.However，the energy consumption of the exhausting working air also increases dramatically in the large－scale tunnel.How to save energy while the simulation conditions for the development of hypersonic vehicles are satisfied has become an important problem to be considered in the design of the conventional hypersonic wind tunnel.To solve this problem，the layout of the conventional hypersonic wind tunnel is optimized as follows：first，the aerodynamic layouts of the existing conventional hypersonic wind tunnels are summarized；second，the energy transformation in the conventional hypersonic wind tunnel during its operation is theoretically analyzed，and from the point of view of saving energy also analyzed are the methods used to deal with the exhausting working air in different layouts；third，the possible methods for utilizing the remainder energy of the exhausting working air are discussed；finally，an optimized layout for the large－scale conventional hypersonic wind tunnel is put forward，and the critical technologies to be used in the realization of the layout are discussed.The result of a simple calculation of saved energy in the optimized layout under a typical run condition shows its advantages in saving energy.

hypersonic wind tunnel；aerodynamic layout；saving energy；hypersonic speed；hypersonic vehicle

V211.74

A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）06－0071－06

10.11729／syltlx20150133

2015－11－04；

2016－09－25

＊通信作者E－mail：hbxiu＠163.com

Wang T J，Shi Y D，Deng Z Q，et al.Preliminary study on energy－saving layout for conventional hypersonic wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：71－75，104.王鐵進(jìn)，施岳定，鄧志強(qiáng)，等.常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的節(jié)能方案研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（6）：71－75，104.

王鐵進(jìn)（1970－），男，河北故城人，博士，研究員。研究方向：實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)洞設(shè)備總體和部件技術(shù)，空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用技術(shù)。通信地址：北京7201信箱57分箱（100074）。E－mail：tiej701＠163.com