风洞设计技术研究设备厂房工艺布局研究

陈建兵，荣 超，杨康辉

(中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000)

大型风洞设备作为空气动力学研究以及航空航天等先进武器装备研制的基础性战略性资源，是一种多学科高度融合的大科学装置，其技术复杂，建设周期长，投资规模大[1]。因此，为降低研制技术风险，通常先行建设缩比的引导风洞，开展有关的关键技术研究及验证。CARDC(中国空气动力研究与发展中心)的风洞设计技术研究设备就是用于大型风洞设备的设计关键技术研究、测试技术研究与验证、流场显示方法研究、为现有风洞设备改造提供技术支持等用途的各类引导风洞(设备)的总称，具有低成本和高效率的优势。

“5·12”地震以前，CARDC拥有的风洞设计技术研究设备主要包括0.3 m×0.3 m暂冲式跨超声速风洞(以下简称0.3 m跨超声速风洞[2])、0.24 m×0.2 m引射式跨声速风洞[3](以下简称0.24 m引射式风洞)、结冰引导风洞[4]、声学引导风洞[5]、0.1 m×0.1 m低温低速风洞(以下简称0.1 m低温风洞)、新型空气低温风洞[6]、φ0.33 m立式引导风洞、多光路激波管、φ120 mm激波风洞、等离子体发生器试验装置、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置等10多座风洞设计技术研究设备，这些风洞设计技术研究设备由于建设时间跨度大，分散地建设在不同的场区，彼此较独立。“5·12”地震以后，CARDC在科研试验新区异地恢复重建，风洞设计技术研究设备也因此全部搬迁至科研试验新区重建，同时对部分风洞设计技术研究设备也进行了一定改造，如φ120 mm激波风洞由水平布局改造为竖式布局。在恢复重建期间，CARDC又设计了0.3 m低温高雷诺数连续式跨声速风洞[7](以下简称0.3 m低温风洞)和大型低速风洞引导风洞这2座引导风洞。为了整合风洞设计技术研究设备的研究资源与能力，统一配套保障，方便使用和管理，统筹考虑恢复重建和新建的风洞设计技术研究设备的工艺需求，在科研试验新区设计建设了风洞设计技术研究设备厂房。

1 工艺布局需求分析

由于0.1 m低温风洞、φ0.33 m立式引导风洞、新型空气低温风洞已不再使用，搬迁后只作为展示实物，因此，不考虑这3座风洞的运行需求。

1.1 气源需求

0.3 m跨超声速风洞、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置均为直流下吹式风洞，试验时均需要使用中压空气气源作为驱动气体，并且需要将使用后的中压空气通过排气消声塔实时排放到大气。

0.24 m引射式风洞为半回流式风洞，试验时需要使用中压空气气源作为驱动气体，并且需要将使用后的中压空气通过排气消声塔实时排放到大气。

结冰引导风洞、声学引导风洞、大型低速风洞引导风洞均为由风扇驱动的回流式风洞，仅有少量气源需求。

多光路激波管采用氦气或氮气驱动，试验气体为空气，主要采用瓶装气体供气。

φ120 mm竖式激波风洞采用氦气或He-N2混合气体驱动，试验气体为空气，主要采用瓶装气体供气。

等离子体发生器试验装置运行的基本气体为氩气，主要采用瓶装气体供气。

0.3 m低温风洞为由压缩机驱动的回流式风洞，有少量气源需求。

1.2 用水需求

0.3 m跨超声速风洞、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置、0.24 m引射式风洞运行时无用水需求。

0.3 m低温风洞、结冰引导风洞、声学引导风洞、大型低速风洞引导风洞、φ120 mm竖式激波风洞、多光路激波管、等离子体发生器试验装置运行时需要少量自来水。

1.3 用电需求

0.3 m低温风洞有大功率的压缩机和较多的辅助系统，用电功率大。

结冰引导风洞、声学引导风洞、大型低速风洞引导风洞有较大功率的风扇，用电功率较大。

0.3 m跨超声速风洞、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置、0.24 m引射式风洞、多光路激波管、φ120 mm竖式激波风洞、等离子体发生器试验装置均无大功率用电设备，用电功率很小。

1.4 吊车需求

0.3 m低温风洞需要吊装的最重结构为压缩机，质量小于10 t。

结冰引导风洞需要吊装的结构主要在驻室处，质量均不超过500 kg。

其他小型风洞(设备)需要吊装的结构质量不超过5 t。

1.5 测控系统需求

测控系统对工艺布局的需求主要包括设置测控地沟、测控间设置防静电活动地板、在测控设备集中的地方设置测控专用接地等。

1.6 其他特殊需求

由于结冰引导风洞使用液氨作为冷媒为风洞换热，而氨是一种有毒、有腐蚀性、易燃、遇热易爆炸的物质，因此，需要考虑相应的防护措施。

因0.3 m低温风洞使用低温氮气作为试验气体，而氮气为无色无味的气体，当发生氮气泄漏引起空气中的氮气含量过高时，人自身无法直接察觉，容易引起缺氧窒息，所以需要考虑防止窒息的问题。

1.7 公用配套需求

为保障开展正常的试验研究和日常的管理，还应考虑值班、会议讨论、变配电等公用配套。

2 风洞设计技术研究设备厂房工艺布局的基本原则

由于风洞设计技术研究设备厂房内集中整合了10多座小型风洞设计技术研究设备，而这些风洞(设备)的用途、运行原理、保障条件、安全防护要求等均不相同，存在多种多样的工艺布局组合方案，因此，应首先明确该厂房工艺布局的基本原则，才能较好地开展其工艺布局设计。

文献[8-10]对于工业厂房工艺布局应遵循的基本原则进行了一些介绍，文献[11]介绍了风洞厂房工艺布局应遵循的基本原则，其中大部分原则同样适用于风洞设计技术研究设备厂房工艺布局；但由于风洞设计技术研究设备厂房有其特殊性，其工艺布局的原则应主要考虑如下几个方面。

1)适应现有的场地条件。

2)立足当前风洞设计技术研究设备需求，兼顾长远发展。

3)便于试验操作，提高试验效率。

4)保障需求相近的风洞设备相对集中布置，吊车尽量共用。

5)风洞测控间的布置应尽量兼顾多个风洞设备，提高测控间的利用效率。

6)注重安全防护，使用氨、氮气的风洞应布置在相对独立的区域，并与其他房间隔开，防止氨、氮气对其他区域人员和设备的影响。

3 设备分类整合

根据风洞设计技术研究设备厂房工艺布局的主要原则及各风洞设计技术研究设备的工艺布局需求，将各风洞设计技术研究设备分类整合为如下六大类。

1)暂冲型设备。0.3 m跨超声速风洞、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置、0.24 m引射式风洞均属于需要中压气源和排气消声塔的暂冲式风洞，需求类似，相对集中布置，并且可共用排气消声塔。

2)高速流态试验设备。多光路激波管、φ120 mm竖式激波风洞、等离子体发生器试验装置均属于高速流态试验装置，均主要采用瓶装特殊气体开展试验，需求类似，相对集中布置。

3)展示类设备。0.1 m低温风洞、新型空气低温风洞、φ0.33 m立式引导风洞均只作为展示实物，相对集中布置。

4)声学试验设备。声学引导风洞、大型低速风洞引导风洞均属于具有声学试验能力的低速回流式风洞，类型相近，相对集中布置。

5)结冰试验设备。结冰引导风洞是用于结冰及防除冰研究的设备，运行时使用液氨，相对独立布置。

6)高雷诺数试验设备。0.3 m低温风洞为高雷诺数风洞，运行时使用液氮，相对独立布置。

4 厂房工艺布局

结合各风洞设计技术研究设备的工艺需求、厂房工艺布局的基本原则和设备分类整合情况，对新建的风洞设计技术研究设备厂房的工艺布局进行了两种方案的对比研究。

方案一：多厂房方案，即按设备分类分别建设厂房。该方案的优点是可以针对性地开展水、电、气等保障，各厂房功能需求相对单一，厂房的结构简单，使用时相互间的影响小；缺点是厂房相对较多、零散，值班、会议等功能房间重复建设，综合利用率低，管理成本较大。

方案二：单厂房方案，即将所有风洞设备集中整合于一个大厂房。该方案的优点是厂房集中，值班、会议等功能房间可以共用，无重复建设，便于集中统一管理，综合利用率高，管理成本低；缺点是厂房布局相对较复杂，使用时相互间有一定的影响。

经过方案对比，为便于集中管理，减少日常管理成本，提高厂房的综合利用率，CARDC在科研试验新区新建的风洞设计技术研究设备厂房选用了单厂房方案，其外形为一个反写的“h”，包括风洞试验厅和配套用房，总建筑面积约为7 000 m2。风洞设计技术研究设备厂房组成示意图如图1所示，风洞设计技术研究设备厂房工艺布局图如图2所示。

图1 风洞设计技术研究设备厂房组成示意图

图2 风洞设计技术研究设备厂房工艺布局图

4.1 风洞试验厅

风洞设计技术研究设备厂房共设置了4个风洞试验厅(编号为001～004)。

001号风洞试验厅为两跨排架结构厂房，其中北跨厂房用于布置0.3 m跨超声速风洞、烧结丝网性能测试装置、方向探针校准装置、0.24 m引射式风洞、多光路激波管、φ120 mm竖式激波风洞、等离子体发生器试验装置、0.1 m低温风洞、新型空气低温风洞、φ0.33 m立式引导风洞；南跨厂房用于布置声学引导风洞和大型低速风洞引导风洞。为满足风洞试验厅内日常使用维护对吊车的需求，两跨厂房各配置了一台起重量5 t的吊车。

002号风洞试验厅为整体预留的房间，为单跨排架结构厂房，配置了一台起重量5 t的吊车。

003号风洞试验厅为单跨排架结构厂房，用于布置0.3 m低温风洞的主体设备，为满足风洞压缩机等设备的检修维护对吊车的需求，配置了一台起重量10 t的吊车。

004号风洞试验厅为框架结构厂房，用于布置结冰引导风洞的主体设备，为满足风洞驻室内结构更换对吊车的需求，在驻室旁边配置了一台起重量0.5 t的悬臂吊车。

4.2 配套用房

风洞设计技术研究设备试验配套房间包括公用配套房间和专用配套房间，其中公用配套房间包括变配电间、值班室、测控间、会议室、弱电间、水泵房等，专用配套房间包括为结冰引导风洞配套的液氨制冷系统间、为0.3 m低温风洞配套的变频器间和为多光路激波管、φ120 mm竖式激波风洞、等离子体发生器试验装置配套的光谱仪间、气瓶间、暗室、全息再现间和气源间。

5 结语

风洞设计技术研究设备涉及的风洞种类多，风洞设备系统也较复杂，从规划风洞设计技术研究设备的恢复搬迁、运行需求分析、优化整合到最终确定其厂房的工艺布局的整个历程中，风洞设备、土建工艺和建筑工程设计等相关人员始终紧密配合、密切协作，经过对风洞设计技术研究设备厂房工艺布局的反复修改和优化，最终实现了风洞设计技术研究设备厂房较好的工艺布局。经过建成后风洞设计技术研究设备的试验运行，证明该厂房的工艺布局较好地适应了实际的试验需求，基本做到了布局合理、便于试验和检修维护。