结冰风洞现场制作安装技术

结冰风洞现场制作安装技术

林峰、马贤领、于振兴、梁栋、周殷弘

中国建筑第八工程局有限公司 上海 200135

摘要：结冰风洞工程是当前我国在飞行器研发方面所开展的主要项目，其主要是讨论各个类型飞行器处于复杂天气环境下的试验活动。而结冰风洞本身属于气象条件比较复杂的地段，在该环境下现场制作安装技术关系到风洞工程的建设和运营质量。本文介绍结冰风洞个现场制作安装技术，并讨论结冰风洞的原理构造，在和国外同类技术对比后，分析结冰风洞现场制作安装技术的创造性和效益。

关键词：结冰风洞；现场制作安装技术；性能指标；创造性

前言：飞机在飞行过程中如果穿越冷暖气流区域，很容易因为周身附着水分而结冰。事实上，虽然短暂结冰不会对飞机造成严重影响，但长时间处于该种情况会导致飞机性能受到影响，尤其是飞机重量会因此变化，继而引发关键部位变形。根据研究，如果飞机结冰超过两分钟，可能会出现飞行事故，甚至引发机毁人亡的后果。为打破该种状况，各个国家均开始进行飞行器试验研究，期望借助结冰风洞试验来获取更加精准的飞机结冰测试数据，为飞行器研究打下坚实理论基础。

1 结冰风洞现场制作安装技术概述

作为我国第一个世界级的自主设计风洞工程技术手段，结冰风洞现场制作安装技术借助现代化科学技术手段，集成结冰风洞施工工法，形成创新空气动力模拟试验场地，为各类飞行器模拟提供复杂气象条件场地，确保其针对飞行器安全飞行展开有效试验，对我国国防建设起到重要意义^[1]。结冰风洞现场制作安装技术所研究的主要内容是现场制作安装，包含了辅助系统安装和主洞体的安装等。截止到2021年，该研究内容已经借助风洞轴线精确测控技术、风洞驻室大门制作安装技术、三维激光扫描检测技术等多种先进技术，且借助该内容已经有多为学者获得国家级发明专利。

事实上，早在20世纪40年代，发达国家就已经开始研究结冰风洞，并且开展各种类型试验，期望能够满足国家各类飞行器发明的需求。但发达国家对我国施行技术封锁，导致我国在自主研发飞行器时无法得到有效试验装备。为改善该种情况，我国开始研究风洞试验模拟，并且研究结冰风洞现场制作安装技术，以此来提高装备部门的飞行器调试和试验水平^[2]。

2 结冰风洞原理及构造

结冰风洞为全钢结构，总重量约4303t，钢结构由厚度为16mm和20mm的16MnDR板材构成，由21个部段组成。采用卧式布局，洞体轴线为矩形，长轴76.6m，短轴24.6m，轴线标高7m。

主要性能技术特点工作结构原理∶风扇段转速是风机作为一个电扇风洞的主要驱动力和动力组成部件，试验时候的风扇段转速是为了能够保证风扇空气自由流动时的性能而需要提供的的驱动力，通过自由手动调节各个风扇段的转速就可以能够轻松实现自由手动调节风扇空气运动流量的工作方式。试验中段的气流降压通过第三个气流扩散段的气流扩散拐角降压和第三个扩散拐角段的气流转向后再次降压到达自动蒸发器段，在这个自动蒸发控制器段内根据试验气流温度变化实际情况自动进行气体温度的自动调节，达到实际降温试验中所应用需要的各种温度控制系统参数^[3]。然后，再经过第四个拐角段的旋转作用后再进入稳定段，在这个稳定段内分别安装了有机蜂窝器和喷雾设备，通过这些蜂窝器对于空气的"梳理"作用，大大降低了气流的湍变速度，使得气流的旋转运动方式与洞体中心轴线的运动方式相一致；通过喷雾器等装置实现对气流的湿度自动调节，至达到完成结冰而必要的温湿度。

结冰专用风洞作为目前我国唯一一座独立的企业自主设计开发和自行研制的大型施工专用特殊施工试验专用风洞，其多种风洞安装控制技术目前仍为国内最早的和首创。2013年12月20日，总装备部对多个大用途快速结冰式隧道风洞建设工程项目进行了全面的工程竣工和现场质量检查，工程质量检测合格率100%。验收报告结论∶"多功能用途型钢结冰箱型风洞建设工程按照预期计划顺利地基本完成了全部工程建设的主要内容，风洞各项技术性能都已经基本达到或比较好地优于目前国家有关批复的技术指标，风洞工程整体技术性能已经完全达到了基本相当于目前国际先进的技术水平^[4]。经风洞长期运行试验测试，其多项技术指标均远远能够优于国外同类高等级别的风洞，达到了多项国际先进技术水平。

3 结冰风洞成果创造性与效益分析

3.1 结冰风洞现场安装制作技术的创造性

大量的工艺和新设备，因而没有任何类似的工程实践可供借鉴，系统的施工技术也是在许多方面都是具有自己的独创性和先进的。

（1）在总体工艺的布置上，将三维式激光扫描技术广泛地应用于风洞内型面的检测，为风洞内型面的检测工作提供了一条崭新的途径和思路，解决了传统的检测仪器和其他检测手段难以全面地检测风洞内型面的形状偏差、表面平整度及同时间长度的问题，与其他传统的检测手段相比，具有了采样率高、检测全面、精度高、检测结果直观的特点。视等特点。

（2）大型结冰超大风洞非标工程安装设备的自动安装和高温低精度同步多轴度自动控制系统技术，采用了工程总体自动协调，分段式自动控制技术解决问题方案，使得长一段时间内同轴线多部段超大型结冰非标工程设备的安装组合体系和高精度同步多轴度自动控制系统技术在工程设计和实际应用中已经达到了更高要求^[5]。

（3）准备结冰整体回路现场每个生产线所制造的15个产品部分大都需要先进行一次整体回路退冰灭火和热处理，总重量2200余吨，需要很好地能够满足并且需要能够有效适应产品尺寸与工艺品质之间可能存在着较大程度偏离的部分进行整体回路退冰灭火和热处理的整体工艺技术要求，当期国内仍然没有一套不容易值得借鉴的行业成熟技术，其所需要承担的技术难度极高^[6]。针对目前建筑施工现场大型超重零件及各种超重超小等级大型零件进行整体高温焊接无法消除炉内残余加热应力的突出问题，采用了我集团公司独家自主设计开发的一种基于模块化组装式智能远红外线自动加热炉的新型加热技术，通过一种人机融合智能自动控制，炉内整体升温平稳、高压自动加热炉内温度场均衡，消除了各种大型超重或者超大等级零件的整体焊接消除残余加热应力，满足了高焊接精度和大尺寸的施工要求。

3.2 结冰风洞现场安装制作技术的效益分析

该工程充分承载着当前我国风洞工程建设的诸多优势和特色，产生了许多科研创新成果，填补了许多技术上的空白，工程整个过程技术已经达到了全国性的先进水平，军事、交通、环境、社会和其他方面的经济效益明显。

结束语

结冰大型风洞现场施工安装设备制造工艺技术已经在大型风洞建设工程及其他类似特殊风洞工程等领域前期建设中已经积累了丰富的宝贵应用经验，对于其他不同类型特殊风洞建设工程的前期建设、规划、施工、经营以及管理都已经具有很强的技术借鉴研究意义和重要指导性借鉴作用，它也是当前结束我国大型风洞工程建设技术发展史进程中的一个重要里程碑性重大工程，对于前往我国的党和国防部队实地考察风洞工程建设工作具有深远影响和巨大的现实意义。

参考文献

[1] 杨光. 集中供气系统在结冰风洞制安现场的应用[J]. 江西建材, 2015(15):72-72.

[2] 符澄, 彭强, 张海洋,等. 结冰风洞喷嘴雾化特性研究[J]. 实验流体力学, 2015, 29(002):32-36.

[3] 史煜, 肖斌, 马俊,等. 某结冰风洞喷雾系统循环法酸洗钝化[J]. 期刊论文, 2016, 37(2).

[4] 姜禹, 孙策, 郭文峰,等. 高尖速比下非对称翼型叶片结冰风洞试验[J]. 工程热物理学报, 2019, v.40(11):93-98.

本文由中建股份科技研发计划资助，课 题 名 称： 高精度现浇清水混凝土风洞关键施工技术研究与应用，课 题 编 号：CSCEC-2019-Z-06 。