郭向東，張平濤，張 珂，郭奇靈，郭 龍

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是開展飛機(jī)結(jié)冰研究的重要地面試驗(yàn)設(shè)備，其在飛機(jī)防除冰系統(tǒng)研制和結(jié)冰適航取證等領(lǐng)域中扮演著重要角色[1-3]。結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)是決定結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)鍵指標(biāo)，其符合性是大型結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用的基礎(chǔ)[4]。因此，結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)提高是結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展的永恒主題。

為提高結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)，世界上主要結(jié)冰風(fēng)洞均對(duì)其制冷系統(tǒng)開展了性能升級(jí)改造[5-13]，其中，以美國NASA Glenn IRT結(jié)冰風(fēng)洞改造次數(shù)最多，相關(guān)研究也最為全面。具體而言，IRT結(jié)冰風(fēng)洞早在2000年便對(duì)其制冷系統(tǒng)開展了大規(guī)模的系統(tǒng)改造，將其中老化的W型熱交換器更換為板式熱交換器，顯著改善了熱流場(chǎng)品質(zhì)，并通過全面的熱流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估試驗(yàn)驗(yàn)證了其熱流場(chǎng)適航應(yīng)用符合性[5-7]。2004年IRT結(jié)冰風(fēng)洞全面升級(jí)了風(fēng)洞氣流總溫測(cè)量系統(tǒng)，更換了風(fēng)洞溫度控制探針，優(yōu)化了熱流場(chǎng)校測(cè)設(shè)備和校測(cè)方法，顯著提高了風(fēng)洞氣流溫度測(cè)量精準(zhǔn)度，提高了校測(cè)試驗(yàn)效率和結(jié)果準(zhǔn)確性[8-9]。2011年該風(fēng)洞為進(jìn)一步提高風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)和控制效率，再次改造了制冷系統(tǒng)，將平板型熱交換器更換為Z字型熱交換器，并在2012年開展了全面的氣動(dòng)-熱流場(chǎng)校測(cè)，評(píng)估了改造后的試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)，進(jìn)一步為其適航應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐[10-11]。此外，美國波音BRAIT結(jié)冰風(fēng)洞[12]和Cox結(jié)冰風(fēng)洞[13]均開展了一系列性能升級(jí)改造，并評(píng)估了改造后的熱流場(chǎng)品質(zhì)，驗(yàn)證了這些風(fēng)洞的適航應(yīng)用符合性。

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞是國內(nèi)首座大型結(jié)冰風(fēng)洞，是支撐C919、CR929 等國產(chǎn)大型飛機(jī)系統(tǒng)研制和適航取證的國之重器[14-15]。2019年，在 C919、CR929 等國產(chǎn)大型飛機(jī)結(jié)冰適航審定的需求牽引下，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞開展了全面的熱流場(chǎng)符合性研究，建立了系統(tǒng)的結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證方法，開展了全面的主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)[4]。結(jié)果表明：結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)在主要試驗(yàn)工況下基本滿足指標(biāo)要求；但在高風(fēng)速、低總溫條件下，試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)卻存在顯著超標(biāo)的非均勻溫度峰值區(qū)，這使得試驗(yàn)段熱流場(chǎng)空間均勻性顯著降低，進(jìn)而極大限制了結(jié)冰風(fēng)洞溫度模擬范圍。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)段熱流場(chǎng)存在的非均勻問題與結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)性能缺陷直接相關(guān)。具體而言，制冷系統(tǒng)存在的主要問題有：1）熱交換器控制閥和制冷媒介壓縮機(jī)組未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，需大量的人工操作，在高風(fēng)速、低總溫這種臨界試驗(yàn)條件下，難以迅速地實(shí)現(xiàn)閥門調(diào)節(jié)，無法滿足熱流場(chǎng)均勻性要求；2）制冷系統(tǒng)采用的液氨（R717）制冷媒介長期使用后存在消耗損失問題，極大地降低了該制冷媒介的制冷能力，制約了制冷系統(tǒng)的低溫模擬能力；3）制冷系統(tǒng)控制軟件自動(dòng)化程度低，對(duì)熱交換器和壓縮機(jī)組的控制有限，無法實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，使得溫度調(diào)節(jié)效率較低，溫度控制精度難以保證。因此，為解決制冷系統(tǒng)存在的設(shè)備問題，改善結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞于2020年針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)開展了全面的設(shè)備性能升級(jí)優(yōu)化：改造了熱交換器自動(dòng)控制閥、升級(jí)了壓縮機(jī)組控制器、更換了制冷媒介、增加了溫度和壓力傳感器、研制了以溫度為控制目標(biāo)的閉環(huán)控制軟件。

為明晰制冷系統(tǒng)性能升級(jí)優(yōu)化對(duì)3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)的影響，本文借鑒國外結(jié)冰風(fēng)洞流場(chǎng)性能升級(jí)優(yōu)化的評(píng)估經(jīng)驗(yàn)，開展了全面的主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)；同時(shí)測(cè)量了熱交換器出口（結(jié)冰風(fēng)洞控制總溫）和試驗(yàn)段氣流總溫，考察了兩位置處熱流場(chǎng)空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性，評(píng)估了升級(jí)優(yōu)化后制冷系統(tǒng)溫度模擬能力，驗(yàn)證了結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性；最后給出了試驗(yàn)段氣流總溫修正關(guān)系，形成了該風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)控制包線，為3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞簡介

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞是目前世界上尺寸最大的結(jié)冰風(fēng)洞之一（圖1（a）），主要由結(jié)冰噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng)采用液氨作為制冷媒介，通過熱交換器（圖1（b））調(diào)節(jié)氣流溫度，利用熱交換器出口總溫探針測(cè)量氣流溫度，最終實(shí)現(xiàn)氣流溫度的精確控制，氣流靜溫模擬范圍為5～–40 ℃。該風(fēng)洞擁有3個(gè)可更換的試驗(yàn)段，分別為主試驗(yàn)段、次試驗(yàn)段和高速試驗(yàn)段。試驗(yàn)段尺寸和氣流速度模擬范圍如表1所示，其中最大試驗(yàn)段氣流速度為7000 m模擬高度、無模型條件下試驗(yàn)結(jié)果。本文僅在主試驗(yàn)段內(nèi)開展研究。

圖1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞Fig.1 The CARDC icing wind tunnel

表1 試驗(yàn)段尺寸參數(shù)和模擬氣流速度范圍Table 1 The test section size parameters and simulation airspeed range

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的結(jié)冰風(fēng)洞校測(cè)推薦應(yīng)用文件Calibration and acceptance of icing wind tunnels（SAE ARP5905）得到了國際結(jié)冰適航領(lǐng)域的普遍認(rèn)可[16]。該文件給出了結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)，如表2所示。應(yīng)該指出的是，盡管表2給出了氣流靜溫指標(biāo)，但是考慮到氣流靜溫?zé)o法采用總溫探針直接測(cè)量，而需通過氣流總溫和氣流速度間接計(jì)算得到，因此本文選擇氣流總溫作為熱流場(chǎng)表征參數(shù)更具有代表性。

表2 結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)[16]Table 2 The quality index of thermodynamic flow field of icing wind tunnel[16]

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)需測(cè)量熱交換器出口和試驗(yàn)段氣流總溫。前者采用結(jié)冰風(fēng)洞總溫控制探針測(cè)量，后者則利用溫度格柵裝置和格柵總溫探針實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

結(jié)冰風(fēng)洞總溫控制探針為四線制PT-100鉑電阻總溫探針（圖2），其溫度測(cè)量范圍和精度分別為–50～50 ℃和±0.2 ℃。總溫控制探針固定于熱交換器下游約2 m處的探針支架上（圖1（a）），探針頭部正對(duì)熱交換器出口。本期制冷系統(tǒng)性能升級(jí)優(yōu)化中，為提高熱交換器出口氣流溫度場(chǎng)的空間分辨率，將控制總溫探針數(shù)量從8根增加至24根，進(jìn)而使熱交換器每個(gè)模塊出口處均對(duì)應(yīng)3根探針。圖3則進(jìn)一步給出了升級(jí)優(yōu)化后總溫控制探針測(cè)量位置，圖中熱交換器各模塊水平中心處均等間距分布3根總溫探針，且圖中坐標(biāo)原點(diǎn)O位于測(cè)量平面中心處，x軸從沿流向的左側(cè)壁面指向右側(cè)壁面，y軸從下壁面指向上壁面。

圖2 結(jié)冰風(fēng)洞總溫控制探針Fig.2 The total temperature operating probe in CARDC icing wind tunnel

圖3 結(jié)冰風(fēng)洞總溫控制探針測(cè)量位置示意圖Fig.3 The measured positions of total temperature operating probes in CARDC icing wind tunnel

溫度格柵裝置（圖4）由7根垂直柵條和 4根水平柵條組成，其中每根垂直柵條前緣等距設(shè)置7個(gè)總溫探針安裝孔，安裝孔的橫縱間距分別為375和250 mm。進(jìn)一步地，圖5給出了溫度格柵測(cè)點(diǎn)的具體位置矩陣，坐標(biāo)原點(diǎn)位于試驗(yàn)段中心線處（圖中紅點(diǎn)），表示試驗(yàn)段中心線處測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)段內(nèi)共設(shè)置49個(gè)測(cè)點(diǎn)；x、y軸的方向與熱交換器出口測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)系一致。

圖4 溫度格柵裝置Fig.4 The temperature grid device

圖5 溫度格柵測(cè)點(diǎn)位置矩陣Fig.5 The position matrix of measured points in the temperature grid device

格柵總溫探針為自研的鉑電阻總溫探針（圖6），探針外徑為6 mm、長為100 mm，溫度測(cè)量范圍和精度分別為–50～50 ℃和±0.1 ℃，總溫恢復(fù)率Rr在馬赫數(shù)小于0.6時(shí)的變化范圍為0.994～1.000。

圖6 格柵總溫探針Fig.6 Total temperature probe and temperature grid

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

本文依據(jù)SAE ARP5905，通過開展全面的主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，評(píng)估升級(jí)優(yōu)化后制冷系統(tǒng)溫度模擬能力，驗(yàn)證結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性。

根據(jù)SAE ARP5905，氣流總溫試驗(yàn)工況如表3所示，表中給出了試驗(yàn)段名義總溫參數(shù)（Tt）和名義氣流速度參數(shù)（vTS），考慮到溫度格柵裝置的試驗(yàn)段堵塞效應(yīng)，最大試驗(yàn)段氣流速度選取140 m/s。此外，文獻(xiàn)[4]指出噴霧耙噴嘴干空氣射流對(duì)熱流場(chǎng)品質(zhì)并無顯著影響。因此，本文未考慮噴嘴干空氣射流的影響，試驗(yàn)中僅保持噴霧耙內(nèi)水循環(huán)過程以維持耙內(nèi)溫度。

表3 氣流總溫試驗(yàn)工況Table 3 Test conditions of airflow total temperature

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)氣流參數(shù)穩(wěn)定后，同時(shí)采集熱交換器出口和試驗(yàn)段內(nèi)氣流總溫?cái)?shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)參數(shù)采樣時(shí)間為120 s，采樣頻率1 Hz。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集的氣流總溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行總溫恢復(fù)修正，獲得實(shí)際氣流總溫Tt,local：

式中，Tt,probe為探針測(cè)量總溫（單位為℃），Rr為探針總溫恢復(fù)率。

熱交換器出口氣流總溫空間和時(shí)間分布以熱交換器出口平均氣流總溫Tta,WT為參考溫度，采用氣流總溫空間偏差Trs,WT和時(shí)間偏差Trt,WT表征：

式中，下標(biāo)mt表示時(shí)間平均，Tt,WT為熱交換器出口各測(cè)量點(diǎn)的氣流總溫。采用總溫空間和時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差σ（Trs,WT）與σ（Trt,WT）和最大絕對(duì)值|Trs,WT|max與|Trt,WT|max評(píng)估熱交換器出口氣流總溫空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性。

試驗(yàn)段氣流總溫空間和時(shí)間分布以試驗(yàn)段中心線處氣流總溫Ttc,TS為基準(zhǔn)，采用氣流總溫空間偏差Trs,TS和時(shí)間偏差Trt,TS表征：

式中，Tt,TS為試驗(yàn)段內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)處氣流總溫。進(jìn)而采用總溫空間和時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差σ（Trs,TS）與σ（Trt,TS）及最大絕對(duì)值|Trs,TS|max與|Trt,TS|max評(píng)估試驗(yàn)段內(nèi)氣流總溫空間均勻性和試驗(yàn)段中心處時(shí)間穩(wěn)定性。

最后，利用熱交換器出口平均氣流總溫Tta,WT與試驗(yàn)段中心線處氣流總溫Ttc,TS，給出試驗(yàn)段總溫修正關(guān)系：

式中，KT為總溫修正函數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 熱交換器出口氣流總溫

圖7給出了熱交換器出口氣流總溫空間分布云圖，包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)氣流速度條件下，0、–5和–15 ℃等3個(gè)氣流總溫對(duì)應(yīng)的典型試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：在典型工況下，熱交換器出口氣流總溫空間分布偏差較小，熱流場(chǎng)空間均勻性較好，大部分偏差值在±0.50 ℃以內(nèi)；僅在–15 ℃條件下云圖下部存在小范圍的非均勻峰值區(qū)，但峰值偏差仍在±0.75 ℃以內(nèi)。

圖7 熱交換器出口氣流總溫空間分布云圖Fig.7 The spatial distribution of airflow total temperature at the exit of the heat exchanger

為定量評(píng)估熱交換器出口熱流場(chǎng)空間均勻性，圖8給出了熱交換器出口氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值，圖中包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度條件下的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值在各工況下均分別小于0.35 ℃和0.80 ℃。這表明：在主要試驗(yàn)工況下，熱交換器出口熱流場(chǎng)空間均勻性較好；隨著氣流總溫的降低和試驗(yàn)段氣流速度的增大，氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值均存在增大的趨勢(shì)，熱流場(chǎng)空間均勻性則不斷降低，逐漸出現(xiàn)小范圍的非均勻峰值區(qū)（對(duì)應(yīng)圖7）。

圖8 熱交換器出口氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值Fig.8 The standard deviation and maximum absolute value of the spatial deviation of the airflow total temperature at the exit of the heat exchanger

圖9給出了熱交換器出口氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線，包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度下，0、–5和–15 ℃等3個(gè)氣流總溫對(duì)應(yīng)的典型試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：各工況下，總溫時(shí)間偏差變化曲線未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，整體較為平緩，并且偏差值均在±0.25 ℃范圍內(nèi)。

圖9 熱交換器出口氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線Fig.9 The variation profiles of the temporal deviation of airflow total temperature at the exit of the heat exchanger

為定量評(píng)估熱交換器出口熱流場(chǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，圖10給出了熱交換器出口氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值，包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度條件下的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：在所有工況下，氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值均分別小于0.2和0.3 ℃，表明在主要試驗(yàn)條件下，熱交換器出口熱流場(chǎng)具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性；氣流總溫和試驗(yàn)段氣流速度對(duì)氣流總溫時(shí)間穩(wěn)定性并無顯著影響。

圖10 熱交換器出口氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值Fig.10 The standard deviation and maximum absolute value of the temporal deviation of airflow total temperature at the exit of the heat exchanger

綜上所述，熱交換器出口熱流場(chǎng)空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性均較好，其中氣流總溫空間偏差和時(shí)間偏差均分別在±0.8 ℃和±0.3 ℃范圍內(nèi)，明顯優(yōu)于SAE ARP5905給出的熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)。由此可見，制冷系統(tǒng)性能的升級(jí)優(yōu)化提高了制冷系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)和控制能力，進(jìn)而顯著改善了熱交換器出口熱流場(chǎng)品質(zhì)，為結(jié)冰風(fēng)洞溫度模擬能力擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

3.2 試驗(yàn)段氣流總溫

圖11給出了試驗(yàn)段氣流總溫空間分布云圖，包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度條件下，0、–5和–15 ℃等3個(gè)典型氣流總溫對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，圖中紅色虛線框表示模型區(qū)，范圍為–750≤x≤ 750 mm、–500 ≤y≤ 500 mm。由圖可知，各工況下模型區(qū)內(nèi)氣流總溫空間偏差均在±1 ℃內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。隨著氣流總溫的降低，試驗(yàn)段左上壁面處逐漸出現(xiàn)非均勻的峰值區(qū)域，進(jìn)而在–15 ℃時(shí)非均勻峰值超過1 ℃。這與2019年試驗(yàn)結(jié)果相似[4]，但非均勻峰值區(qū)的覆蓋范圍顯著減小、峰值強(qiáng)度明顯減弱，同時(shí)其向模型區(qū)內(nèi)發(fā)展的趨勢(shì)被進(jìn)一步抑制，尤其在140 m/s高風(fēng)速、–15 ℃低總溫條件下，模型區(qū)內(nèi)仍未出現(xiàn)超標(biāo)的峰值點(diǎn)。此外，與熱交換器出口試驗(yàn)結(jié)果相比（圖7），熱流場(chǎng)內(nèi)部的非均勻峰值區(qū)覆蓋范圍顯著增大、峰值強(qiáng)度則明顯增強(qiáng)，出現(xiàn)了超標(biāo)的峰值點(diǎn)。尤其值得一提的是，在–15 ℃條件下，試驗(yàn)段左上壁面處出現(xiàn)異常明顯的非均勻峰值區(qū)，但在熱交換器出口對(duì)應(yīng)位置卻并未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，這可能與氣流從熱交換器出口到試驗(yàn)段間所經(jīng)歷的復(fù)雜熱力演化過程相關(guān)。

圖11 試驗(yàn)段氣流總溫空間分布云圖Fig.11 The spatial distribution of airflow total temperature in the test section

為定量分析試驗(yàn)段氣流總溫空間均勻性，同時(shí)對(duì)比評(píng)估熱流場(chǎng)均勻性改善程度，圖12給出了試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值，圖中還給出了2019年試驗(yàn)結(jié)果[4]和2020年制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.4 ℃，滿足±1 ℃的指標(biāo)要求；相較于2019年試驗(yàn)結(jié)果，2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差在高風(fēng)速、低總溫條件下顯著減小，尤其在140 m/s、–10 ℃條件下，降幅接近0.5 ℃；2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)氣流總溫空間偏差最大絕對(duì)值在各工況下均小于1.0 ℃，表明模型區(qū)內(nèi)均未出現(xiàn)超標(biāo)的非均勻峰值點(diǎn)，與2019年試驗(yàn)結(jié)果相比，2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)氣流總溫最大絕對(duì)值顯著減小，尤其在高風(fēng)速、低總溫工況下—2019年結(jié)果中最大絕對(duì)值普遍超過1.0 ℃，最大值甚至超過2.5 ℃，而2020年結(jié)果則均小于1.0 ℃。由此可見，2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)空間均勻性在主要試驗(yàn)工況下較好，完全滿足指標(biāo)要求，達(dá)到結(jié)冰試驗(yàn)要求；與2019年結(jié)果對(duì)比，2020年結(jié)冰風(fēng)洞的制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化顯著提高了試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)空間均勻性，使得在主要試驗(yàn)工況下熱流場(chǎng)均勻性指標(biāo)均滿足結(jié)冰試驗(yàn)要求，極大擴(kuò)展了結(jié)冰風(fēng)洞溫度模擬范圍。

圖12 試驗(yàn)段模型區(qū)氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值Fig.12 The standard deviation and maximum absolute value of the spatial deviation of airflow total temperature in the model area of test section

圖13給出了試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線，圖中包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度下，0、–5和–15 ℃等3個(gè)氣流總溫對(duì)應(yīng)的典型試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：各工況下，氣流總溫時(shí)間偏差均在±0.5 ℃范圍內(nèi)，滿足指標(biāo)要求；隨著氣流總溫的降低，曲線的波動(dòng)程度不斷增強(qiáng)。

圖13 試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線Fig.13 The variation profiles of the temporal deviation of airflow total temperature in the centerline of test section

為定量考察試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間穩(wěn)定性，圖14給出了試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值，從圖中可以看出：各工況下氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值均分別小于0.25 ℃和0.40 ℃，完全滿足±0.5 ℃的指標(biāo)要求，表明在主要試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)時(shí)間穩(wěn)定性較好，達(dá)到結(jié)冰試驗(yàn)要求，這與2019年試驗(yàn)結(jié)果相一致；隨著氣流總溫的降低，標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值均存在增大趨勢(shì)，可見降低氣流總溫會(huì)減弱熱流場(chǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，與熱交換器出口試驗(yàn)結(jié)果相比（圖10），試驗(yàn)段中心線處氣流總溫標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值在大部分工況下均偏高，熱流場(chǎng)時(shí)間穩(wěn)定性則出現(xiàn)了一定程度的減弱。

圖14 試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值Fig.14 The standard deviation and maximum absolute value of the temporal deviation of airflow total temperature in the centerline of test section

3.3 結(jié)冰風(fēng)洞總溫修正關(guān)系和熱流場(chǎng)控制包線

根據(jù)熱交換器出口和試驗(yàn)段氣流總溫試驗(yàn)結(jié)果，圖15給出了試驗(yàn)段中心線處氣流總溫修正關(guān)系和不確定度，包括80、100、120和140 m/s等4個(gè)典型氣流速度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖15（a）中可以看出，風(fēng)洞采集的氣流總溫Tta,WT與試驗(yàn)段中心線處氣流總溫Ttc,TS具有顯著的線性關(guān)系：

式中，KT和BT分別為斜率和截距函數(shù)，此處KT=1.0037，BT= –0.0307。圖15（b）縱軸為計(jì)算總溫Tta,TS與試驗(yàn)段中心線處氣流總溫Ttc,TS之差，可以看出擬合溫度偏差均在±0.5 ℃范圍內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖15 試驗(yàn)段中心線處氣流總溫修正關(guān)系和不確定度Fig.15 The correction relationship and uncertainty of the airflow total temperature in the centerline of test section

圖16給出了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)控制包線，圖中黑色空心圓點(diǎn)為試驗(yàn)工況點(diǎn)，紅色實(shí)線為2020年制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化后的控制包線，而藍(lán)色虛線對(duì)應(yīng)2019年控制包線[4]。此處應(yīng)該指出，圖中控制包線由試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性均完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)工況點(diǎn)決定，未考慮模型區(qū)邊界處存在溫度偏差超標(biāo)的工況點(diǎn)，因此相較于文獻(xiàn)[4]，本文給出的2019年控制包線覆蓋范圍出現(xiàn)了一定程度的減小。從圖中還可以看出，2020年的控制包線覆蓋范圍顯著大于2019年，尤其在高風(fēng)速（超過120 m/s）和低總溫（小于–15 ℃）條件下，試驗(yàn)段模型區(qū)熱流場(chǎng)品質(zhì)均滿足SAE ARP5905指標(biāo)要求。由此可見，2020年結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化顯著改善了試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)，解決了高風(fēng)速、低總溫條件下試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)的均勻性問題，顯著擴(kuò)展了熱流場(chǎng)控制包線范圍，增強(qiáng)了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力。

圖16 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)控制包線Fig.16 The thermal flow field operating envelop of CARDC icing wind tunnel in the main test section

4 結(jié) 論

本文為評(píng)估3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化后的風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)，開展了結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）熱交換器出口熱流場(chǎng)品質(zhì)較好，其空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性參數(shù)均優(yōu)于SAE ARP5905給出的熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)。

2）與2019年試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，2020年試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)空間均勻性顯著增強(qiáng)，在主要試驗(yàn)工況下，流場(chǎng)品質(zhì)完全滿足指標(biāo)要求，尤其在高風(fēng)速、低總溫工況下，模型區(qū)內(nèi)均未出現(xiàn)超標(biāo)的非均勻峰值點(diǎn)。

3）結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化提高了制冷系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)和控制能力，改善了試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)，解決了高風(fēng)速、低總溫條件下試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)的均勻性問題，顯著擴(kuò)展了熱流場(chǎng)控制包線，增強(qiáng)了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力。