風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局研究

陳建兵，榮 超，楊康輝

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

大型風(fēng)洞設(shè)備作為空氣動(dòng)力學(xué)研究以及航空航天等先進(jìn)武器裝備研制的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略性資源，是一種多學(xué)科高度融合的大科學(xué)裝置，其技術(shù)復(fù)雜，建設(shè)周期長(zhǎng)，投資規(guī)模大[1]。因此，為降低研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，通常先行建設(shè)縮比的引導(dǎo)風(fēng)洞，開(kāi)展有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究及驗(yàn)證。CARDC(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心)的風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備就是用于大型風(fēng)洞設(shè)備的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究、測(cè)試技術(shù)研究與驗(yàn)證、流場(chǎng)顯示方法研究、為現(xiàn)有風(fēng)洞設(shè)備改造提供技術(shù)支持等用途的各類引導(dǎo)風(fēng)洞(設(shè)備)的總稱，具有低成本和高效率的優(yōu)勢(shì)。

“5·12”地震以前，CARDC擁有的風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備主要包括0.3 m×0.3 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱0.3 m跨超聲速風(fēng)洞[2])、0.24 m×0.2 m引射式跨聲速風(fēng)洞[3](以下簡(jiǎn)稱0.24 m引射式風(fēng)洞)、結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞[4]、聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞[5]、0.1 m×0.1 m低溫低速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱0.1 m低溫風(fēng)洞)、新型空氣低溫風(fēng)洞[6]、φ0.33 m立式引導(dǎo)風(fēng)洞、多光路激波管、φ120 mm激波風(fēng)洞、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置等10多座風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備，這些風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備由于建設(shè)時(shí)間跨度大，分散地建設(shè)在不同的場(chǎng)區(qū)，彼此較獨(dú)立。“5·12”地震以后，CARDC在科研試驗(yàn)新區(qū)異地恢復(fù)重建，風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備也因此全部搬遷至科研試驗(yàn)新區(qū)重建，同時(shí)對(duì)部分風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備也進(jìn)行了一定改造，如φ120 mm激波風(fēng)洞由水平布局改造為豎式布局。在恢復(fù)重建期間，CARDC又設(shè)計(jì)了0.3 m低溫高雷諾數(shù)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞[7](以下簡(jiǎn)稱0.3 m低溫風(fēng)洞)和大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞這2座引導(dǎo)風(fēng)洞。為了整合風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的研究資源與能力，統(tǒng)一配套保障，方便使用和管理，統(tǒng)籌考慮恢復(fù)重建和新建的風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的工藝需求，在科研試驗(yàn)新區(qū)設(shè)計(jì)建設(shè)了風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房。

1 工藝布局需求分析

由于0.1 m低溫風(fēng)洞、φ0.33 m立式引導(dǎo)風(fēng)洞、新型空氣低溫風(fēng)洞已不再使用，搬遷后只作為展示實(shí)物，因此，不考慮這3座風(fēng)洞的運(yùn)行需求。

1.1 氣源需求

0.3 m跨超聲速風(fēng)洞、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置均為直流下吹式風(fēng)洞，試驗(yàn)時(shí)均需要使用中壓空氣氣源作為驅(qū)動(dòng)氣體，并且需要將使用后的中壓空氣通過(guò)排氣消聲塔實(shí)時(shí)排放到大氣。

0.24 m引射式風(fēng)洞為半回流式風(fēng)洞，試驗(yàn)時(shí)需要使用中壓空氣氣源作為驅(qū)動(dòng)氣體，并且需要將使用后的中壓空氣通過(guò)排氣消聲塔實(shí)時(shí)排放到大氣。

結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞、聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞、大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞均為由風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的回流式風(fēng)洞，僅有少量氣源需求。

多光路激波管采用氦氣或氮?dú)怛?qū)動(dòng)，試驗(yàn)氣體為空氣，主要采用瓶裝氣體供氣。

φ120 mm豎式激波風(fēng)洞采用氦氣或He-N2混合氣體驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)氣體為空氣，主要采用瓶裝氣體供氣。

等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置運(yùn)行的基本氣體為氬氣，主要采用瓶裝氣體供氣。

0.3 m低溫風(fēng)洞為由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的回流式風(fēng)洞，有少量氣源需求。

1.2 用水需求

0.3 m跨超聲速風(fēng)洞、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置、0.24 m引射式風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)無(wú)用水需求。

0.3 m低溫風(fēng)洞、結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞、聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞、大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞、φ120 mm豎式激波風(fēng)洞、多光路激波管、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)需要少量自來(lái)水。

1.3 用電需求

0.3 m低溫風(fēng)洞有大功率的壓縮機(jī)和較多的輔助系統(tǒng)，用電功率大。

結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞、聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞、大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞有較大功率的風(fēng)扇，用電功率較大。

0.3 m跨超聲速風(fēng)洞、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置、0.24 m引射式風(fēng)洞、多光路激波管、φ120 mm豎式激波風(fēng)洞、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置均無(wú)大功率用電設(shè)備，用電功率很小。

1.4 吊車(chē)需求

0.3 m低溫風(fēng)洞需要吊裝的最重結(jié)構(gòu)為壓縮機(jī)，質(zhì)量小于10 t。

結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞需要吊裝的結(jié)構(gòu)主要在駐室處，質(zhì)量均不超過(guò)500 kg。

其他小型風(fēng)洞(設(shè)備)需要吊裝的結(jié)構(gòu)質(zhì)量不超過(guò)5 t。

1.5 測(cè)控系統(tǒng)需求

測(cè)控系統(tǒng)對(duì)工藝布局的需求主要包括設(shè)置測(cè)控地溝、測(cè)控間設(shè)置防靜電活動(dòng)地板、在測(cè)控設(shè)備集中的地方設(shè)置測(cè)控專用接地等。

1.6 其他特殊需求

由于結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞使用液氨作為冷媒為風(fēng)洞換熱，而氨是一種有毒、有腐蝕性、易燃、遇熱易爆炸的物質(zhì)，因此，需要考慮相應(yīng)的防護(hù)措施。

因0.3 m低溫風(fēng)洞使用低溫氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)氣體，而氮?dú)鉃闊o(wú)色無(wú)味的氣體，當(dāng)發(fā)生氮?dú)庑孤┮鹂諝庵械牡獨(dú)夂窟^(guò)高時(shí)，人自身無(wú)法直接察覺(jué)，容易引起缺氧窒息，所以需要考慮防止窒息的問(wèn)題。

1.7 公用配套需求

為保障開(kāi)展正常的試驗(yàn)研究和日常的管理，還應(yīng)考慮值班、會(huì)議討論、變配電等公用配套。

2 風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局的基本原則

由于風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房?jī)?nèi)集中整合了10多座小型風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備，而這些風(fēng)洞(設(shè)備)的用途、運(yùn)行原理、保障條件、安全防護(hù)要求等均不相同，存在多種多樣的工藝布局組合方案，因此，應(yīng)首先明確該廠房工藝布局的基本原則，才能較好地開(kāi)展其工藝布局設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[8-10]對(duì)于工業(yè)廠房工藝布局應(yīng)遵循的基本原則進(jìn)行了一些介紹，文獻(xiàn)[11]介紹了風(fēng)洞廠房工藝布局應(yīng)遵循的基本原則，其中大部分原則同樣適用于風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局；但由于風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房有其特殊性，其工藝布局的原則應(yīng)主要考慮如下幾個(gè)方面。

1)適應(yīng)現(xiàn)有的場(chǎng)地條件。

2)立足當(dāng)前風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備需求，兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3)便于試驗(yàn)操作，提高試驗(yàn)效率。

4)保障需求相近的風(fēng)洞設(shè)備相對(duì)集中布置，吊車(chē)盡量共用。

5)風(fēng)洞測(cè)控間的布置應(yīng)盡量兼顧多個(gè)風(fēng)洞設(shè)備，提高測(cè)控間的利用效率。

6)注重安全防護(hù)，使用氨、氮?dú)獾娘L(fēng)洞應(yīng)布置在相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，并與其他房間隔開(kāi)，防止氨、氮?dú)鈱?duì)其他區(qū)域人員和設(shè)備的影響。

3 設(shè)備分類整合

根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局的主要原則及各風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的工藝布局需求，將各風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備分類整合為如下六大類。

1)暫沖型設(shè)備。0.3 m跨超聲速風(fēng)洞、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置、0.24 m引射式風(fēng)洞均屬于需要中壓氣源和排氣消聲塔的暫沖式風(fēng)洞，需求類似，相對(duì)集中布置，并且可共用排氣消聲塔。

2)高速流態(tài)試驗(yàn)設(shè)備。多光路激波管、φ120 mm豎式激波風(fēng)洞、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置均屬于高速流態(tài)試驗(yàn)裝置，均主要采用瓶裝特殊氣體開(kāi)展試驗(yàn)，需求類似，相對(duì)集中布置。

3)展示類設(shè)備。0.1 m低溫風(fēng)洞、新型空氣低溫風(fēng)洞、φ0.33 m立式引導(dǎo)風(fēng)洞均只作為展示實(shí)物，相對(duì)集中布置。

4)聲學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞、大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞均屬于具有聲學(xué)試驗(yàn)?zāi)芰Φ牡退倩亓魇斤L(fēng)洞，類型相近，相對(duì)集中布置。

5)結(jié)冰試驗(yàn)設(shè)備。結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞是用于結(jié)冰及防除冰研究的設(shè)備，運(yùn)行時(shí)使用液氨，相對(duì)獨(dú)立布置。

6)高雷諾數(shù)試驗(yàn)設(shè)備。0.3 m低溫風(fēng)洞為高雷諾數(shù)風(fēng)洞，運(yùn)行時(shí)使用液氮，相對(duì)獨(dú)立布置。

4 廠房工藝布局

結(jié)合各風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的工藝需求、廠房工藝布局的基本原則和設(shè)備分類整合情況，對(duì)新建的風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房的工藝布局進(jìn)行了兩種方案的對(duì)比研究。

方案一：多廠房方案，即按設(shè)備分類分別建設(shè)廠房。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以針對(duì)性地開(kāi)展水、電、氣等保障，各廠房功能需求相對(duì)單一，廠房的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用時(shí)相互間的影響小；缺點(diǎn)是廠房相對(duì)較多、零散，值班、會(huì)議等功能房間重復(fù)建設(shè)，綜合利用率低，管理成本較大。

方案二：?jiǎn)螐S房方案，即將所有風(fēng)洞設(shè)備集中整合于一個(gè)大廠房。該方案的優(yōu)點(diǎn)是廠房集中，值班、會(huì)議等功能房間可以共用，無(wú)重復(fù)建設(shè)，便于集中統(tǒng)一管理，綜合利用率高，管理成本低；缺點(diǎn)是廠房布局相對(duì)較復(fù)雜，使用時(shí)相互間有一定的影響。

經(jīng)過(guò)方案對(duì)比，為便于集中管理，減少日常管理成本，提高廠房的綜合利用率，CARDC在科研試驗(yàn)新區(qū)新建的風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房選用了單廠房方案，其外形為一個(gè)反寫(xiě)的“h”，包括風(fēng)洞試驗(yàn)廳和配套用房，總建筑面積約為7 000 m2。風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房組成示意圖如圖1所示，風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房組成示意圖

圖2 風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局圖

4.1 風(fēng)洞試驗(yàn)廳

風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房共設(shè)置了4個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)廳(編號(hào)為001～004)。

001號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)廳為兩跨排架結(jié)構(gòu)廠房，其中北跨廠房用于布置0.3 m跨超聲速風(fēng)洞、燒結(jié)絲網(wǎng)性能測(cè)試裝置、方向探針校準(zhǔn)裝置、0.24 m引射式風(fēng)洞、多光路激波管、φ120 mm豎式激波風(fēng)洞、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置、0.1 m低溫風(fēng)洞、新型空氣低溫風(fēng)洞、φ0.33 m立式引導(dǎo)風(fēng)洞；南跨廠房用于布置聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞和大型低速風(fēng)洞引導(dǎo)風(fēng)洞。為滿足風(fēng)洞試驗(yàn)廳內(nèi)日常使用維護(hù)對(duì)吊車(chē)的需求，兩跨廠房各配置了一臺(tái)起重量5 t的吊車(chē)。

002號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)廳為整體預(yù)留的房間，為單跨排架結(jié)構(gòu)廠房，配置了一臺(tái)起重量5 t的吊車(chē)。

003號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)廳為單跨排架結(jié)構(gòu)廠房，用于布置0.3 m低溫風(fēng)洞的主體設(shè)備，為滿足風(fēng)洞壓縮機(jī)等設(shè)備的檢修維護(hù)對(duì)吊車(chē)的需求，配置了一臺(tái)起重量10 t的吊車(chē)。

004號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)廳為框架結(jié)構(gòu)廠房，用于布置結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞的主體設(shè)備，為滿足風(fēng)洞駐室內(nèi)結(jié)構(gòu)更換對(duì)吊車(chē)的需求，在駐室旁邊配置了一臺(tái)起重量0.5 t的懸臂吊車(chē)。

4.2 配套用房

風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備試驗(yàn)配套房間包括公用配套房間和專用配套房間，其中公用配套房間包括變配電間、值班室、測(cè)控間、會(huì)議室、弱電間、水泵房等，專用配套房間包括為結(jié)冰引導(dǎo)風(fēng)洞配套的液氨制冷系統(tǒng)間、為0.3 m低溫風(fēng)洞配套的變頻器間和為多光路激波管、φ120 mm豎式激波風(fēng)洞、等離子體發(fā)生器試驗(yàn)裝置配套的光譜儀間、氣瓶間、暗室、全息再現(xiàn)間和氣源間。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備涉及的風(fēng)洞種類多，風(fēng)洞設(shè)備系統(tǒng)也較復(fù)雜，從規(guī)劃風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的恢復(fù)搬遷、運(yùn)行需求分析、優(yōu)化整合到最終確定其廠房的工藝布局的整個(gè)歷程中，風(fēng)洞設(shè)備、土建工藝和建筑工程設(shè)計(jì)等相關(guān)人員始終緊密配合、密切協(xié)作，經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房工藝布局的反復(fù)修改和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備廠房較好的工藝布局。經(jīng)過(guò)建成后風(fēng)洞設(shè)計(jì)技術(shù)研究設(shè)備的試驗(yàn)運(yùn)行，證明該廠房的工藝布局較好地適應(yīng)了實(shí)際的試驗(yàn)需求，基本做到了布局合理、便于試驗(yàn)和檢修維護(hù)。