风洞厂房工艺布局的设计与实施研究

流体力学论文第四篇：风洞厂房工艺布局的设计与实施研究

 

　　摘要：科学合理的风洞工艺布局是建设高性能风洞的关键内容之一。结合新建的0.6m暂冲式风洞的设计建设，介绍了风洞厂房工艺布局的原则和设计内容，分析了风洞配套建筑中主要工艺房间的功能及其工艺参数的确定依据，并根据0.6m暂冲式风洞引射下吹式的具体结构形式、附属用房及配套设施需求，详细叙述了0.6m暂冲式风洞厂房的工艺布局方案，同时从施工的角度分析了在风洞厂房工艺布局和风洞厂房设计过程中容易忽略的问题，提出了建议。通过优化设计，新建的0.6m暂冲式风洞的工艺布局较好地满足了风洞试验的使用需求。

 

　　关键词：风洞; 工艺布局; 厂房; 暂冲式; 引射式; 优化设计;

 

　　Brief Discussion of Process Layout of Wind Tunnel

 

　　CHEN Jianbing RONG Chao YANG Mingxue YANG Kanghui

 

　　China Aerodynamics Research and Development Center

 

　　Abstract：Scientific process layout of wind tunnel was one of the key contents in constructing a wind tunnel with good performance.Combined with the construction of the 0.6 mintermittent wind tunnel in new area,the principles and contents for process layout of wind tunnel plant were introduced,the functions and process indexes of main accessorial rooms were analyzed,the process layout scheme of the 0.6 mintermittent wind tunnel plant was described according to specific structural form of the 0.6 mintermittent wind tunnel and requirements of accessory occupancy and ancillary facility,at the same time,from the view of construction,some problems of wind tunnel plant easy to be omitted in the process of layout and in the process of design were analyzed,and some suggestions were given.Through optimization design,the process layout of the 0.6 mintermittent wind tunnel well met its testing requirements.

 

　　工业厂房的工艺布局对企业来说至关重要。工艺布局是否合理关系到物流是否顺畅、产品成本是否最低、企业能否获得最大效益等[1]。因而，工业企业在从事生产建设时，都很重视对厂房工艺布局的研究。文献[2]从车间平面布局、设备选择、车身输送设备的规划等方面，介绍了国内某大型汽车厂总装车间的工艺布局改造内容及其影响；文献[3]以装载机产品的备料为例，对车间工艺设计做了详细的阐述；文献[4]以最新的焊装车间为研究对象，对焊装车间工艺面积与工艺布局的关系进行了分析、研究；文献[5]对货车新造生产工艺布局设计进行了介绍。

 

　　风洞厂房是专门从事风洞试验的一种特殊工业厂房，其工艺布局对风洞试验效率有着至关重要的影响，因而同样受到风洞建设者的高度关注，并在风洞建设过程中投入大量人力对其进行研究。国内外的生产型风洞，特别是投资大、系统复杂、技术难度高的大型风洞在规划建设时都对风洞系统及其厂房的工艺布局进行了仔细的研究，如欧洲跨声速风洞（ETW）在建设前就成立了专门的工作组，并聘请专业的咨询机构对风洞及其工艺布局进行了详细的研究[6]。

 

　　CARDC（中国空气动力研究与发展中心）在科研试验新区新建了0.6m暂冲式风洞。本文结合该风洞的设计建设，对风洞工艺布局作一些初步的探讨。

 

　　1风洞厂房工艺布局的原则

 

　　对于工业厂房工艺布局需遵循的基本原则，文献[7,8]作了相应的叙述，其中有些原则同样适用于风洞厂房工艺布局；但由于风洞厂房有其特殊性，这些原则并不能涵盖风洞厂房工艺布局的全部特点。

 

　　通常，从事风洞厂房工艺布局需遵循的基本原则应考虑如下几个方面。

 

　　1）充分利用地形条件及自然资源。

 

　　2）立足当前任务需求，适当兼顾长远发展。

 

　　3）制订最合理的试验流程，方便操作，减少转换试验条件的时间，提高试验效率。

 

　　4）风洞测控间的布置应尽量靠近试验段，以减小从测控间到试验段的距离。

 

　　5）凡是产生剧烈振动和较大噪声的部段、设备（如引射器、调压阀等），应尽量与风洞试验大厅隔离，并设置隔振基础和消声措施。

 

　　6）注重安全措施。为试验人员提供安全、舒适的工作环境，使采光、通风、照明、采暖、降噪、电磁防护等具有良好的条件。

 

　　2 风洞厂房工艺布局设计的内容

 

　　风洞厂房的工艺布局设计应以科学、合理、高效地实现风洞的试验功能为目标，综合考虑厂房施工和设备安装、使用、维修、运输、扩展等各个环节的需求，做到布置合理、紧凑、美观。

 

　　首先，开展风洞厂房的工艺布局设计应全面理解风洞的总体设计方案。风洞的总体设计方案是风洞厂房工艺布局设计的基础，通过对总体设计方案的分析，可以知道风洞的总体布局型式及尺寸、运行方式、部段的联接与更换方式、试验段的数量与尺寸、机构的驱动方式、需运输部段（设备）的重量和尺寸、产生较大振动和噪声的部段（设备）等工艺布局时所需要的关键信息，从而可初步确定风洞主厂房的规模。因此，只有全面分析并充分把握风洞的总体设计方案，才能明确工艺布局的方向和思路。

 

　　其次，开展风洞厂房的工艺布局设计需了解风洞试验需求。通过分析风洞试验需求，不仅可以明确参与风洞运行的人员数量、客户对风洞的需求情况，还可以明确对模型准备、钳工修配、模型存放、测控、数据分析等配套功能房间的需求。

 

　　再次，开展风洞厂房的工艺布局设计还需分析对行吊以及水、电、气等配套设施的需求。确定对行吊的需求后，才能初步确定厂房的高度及建筑结构的主要工作载荷；明确对水、电、气等配套设施的需求后，方可确定对相应外线的保障要求。

 

　　最后，开展风洞厂房的工艺布局设计需要结合风洞建设地点的场地条件。通过与建设现场环境相结合，可以充分利用现有环境条件，较好地确定风洞厂房的总图布局，从而确定风洞厂房的工艺布局方案，并实现较好的经济、环保效益。

 

　　在完成风洞厂房的工艺布局方案之后，风洞厂房工艺布局设计的内容主要是对厂房设计提出设计要求，并与风洞设计和厂房设计协调、同步。在风洞洞体及其辅助系统完成施工设计之前，由于设计方案在不断优化，可能存在设备型号、平面布置、尺寸、部段更换方式等调整，因而，工艺布局也需要随之进行相应的调整，如果其中涉及厂房变化，需及时协调厂房设计进行调整。同样，在风洞厂房设计过程中，由于其自身的结构要求，可能存在与风洞（设备）发生干涉的情况。此时，如果风洞（设备）平面布置的适当调整是可接受的，则可考虑对其进行一定的调整以避开厂房结构，否则应调整厂房结构以避开风洞（设备）。

 

　　因此，风洞厂房工艺布局设计的内容包括工艺布局方案设计、提出厂房设计要求、同步协调风洞和厂房设计。

 

　　3 0.6m暂冲风洞厂房工艺布局

 

　　CARDC在科研试验新区新建的0.6m暂冲式风洞，为一座引射下吹式暂冲型三音速增压风洞[9,10]，配备3个可更换试验段，风洞组成示意图如图1所示。

 

　

 

　　图1 0.6m暂冲风洞组成示意图   

 

　　3.1 试验段的更换方式

 

　　该风洞具有可以相互更换的3个试验段，试验段更换采用与其驻室一起移出的方法，各段底部均装有移动装置，采用轮轨方式。试验段更换的一般步骤如下：1）将模型支架段、超扩段和过渡补偿段整体向下游移动；2）横向移出试验段；3）横向移入需要更换的试验段；4）将模型支架段、超扩段和过渡补偿段整体向上游移动并与试验段对接。

 

　　3.2 风洞附属用房需求

 

　　该风洞试验附属房间需求包括配电间、钳工间、值班室、模型存放间、试验准备间、测控间、电源间、数据分析间、客户间、客户分析间、客户休息间、设备间和会议室等。

 

　　3.3 配套设施需求

 

　　根据风洞的总体结构方案，风洞在日常使用维护中对吊车的需求为：主洞体需要起吊部段的最大质量约13t，主进气管路和引射器进气管路上各个阀门的最大质量约3t。根据风洞试验准备的要求，钳工间、试验准备间均需配置0.5t的吊车。

 

　　3.4 测控系统对工艺布局的要求

 

　　测控系统是风洞建设中一项必不可少的内容，是在风洞试验过程中实现运行控制、参数测量、状态监控与安全联锁等功能的关键系统。为保证其性能，对风洞厂房工艺布局的要求如下。

 

　　1）沿风洞（设备）设置地沟，且供电线缆沟与测控线缆沟应尽量分开设置，以减少对测控信号的干扰。

 

　　2）为方便测控间和数据分析间等电子设备集中的工作间内线缆的敷设，这些房间应设置防静电活动地板。

 

　　3）在测控设备集中的地方设置测控专用接地，且与电器设备保护接地和建筑防雷接地分开设置。

 

　　3.5 风洞厂房的工艺布局

 

　　基于对风洞结构总体方案、试验对附属房间和配套设施的需求、测控系统对工艺布局的要求等的分析，结合建设现场条件，并与建设单位和土建设计单位一起对布局方案进行了多次优化，确定了0.6m暂冲风洞厂房工艺布局方案（见图2）。

 

　

　　图2 0.6m暂冲风洞厂房工艺布局   

 

　　厂房由4部分组成：试验大厅（风洞主厂房）、引射器阀门间、测控楼和排气消声塔，总建筑面积约2 700m2。

 

　　试验大厅为单层排架结构厂房，用于布置主进气管路、大开角段至过渡补偿段的风洞洞体以及可更换试验段和模型支架段，为了满足试验大厅内日常使用维护对吊车的需求，配置了一台起重量16t/3.2t的桥式吊车。

 

　　引射器阀门间为单层排架结构厂房，其平面布局为L形，用于布置引射器及其进气管路、亚扩段，为了满足引射器进气管路上阀门日常维护对吊车的需求，配置了一台起重量3t的悬挂吊车。

 

　　测控楼为2层框架结构，用于布置与试验相关的附属房间，其中，一层主要布置用于试验准备和模型存放的房间，二层主要布置用于风洞测控、数据分析及客户接待的房间。因为钳工间、试验准备间均需配置0.5t的吊车，且与风洞本体有紧密联系，因此将这3个房间在一层相邻布置，共用一台0.5t的悬挂吊车。测控间不仅是集中放置风洞测控系统终端设备的房间，也是测控人员的集中工作区域，数据分析间是风洞试验过程中进行数据分析、处理的工作间，而电源间则是为测控间和数据分析间内的电子设备提供清洁电源的房间，因而将这3个功能上紧密相关的房间相邻布置；为便于房间内各种线缆的敷设，这3个房间采用了防静电活动地板，同时，将线缆敷设在活动地板下还有利于保持整洁、美观的室内环境。

 

　　排气消声塔为全钢筋混凝土结构，用于布置多孔管，并将风洞排气噪声降低到允许限值。

 

　　4 几个容易被忽略的问题

 

　　在风洞及其配套厂房的建设过程中，存在两者建设进度协调的问题，如果风洞主体设备能在厂房主体结构完成之前进场，则风洞设备的安装不会存在什么问题；如果风洞主体设备的进场晚于厂房主体结构的施工，则对于大型设备或部段的安装可能会发生操作空间不足等问题，而这些可能出现在建设阶段的问题往往又是在设计过程中容易被忽略的问题。根据0.6m暂冲风洞建设的情况，在风洞工艺布局和风洞厂房设计中容易被忽略的主要问题如下。

 

　　1）设备安装预留洞口的设置。

 

　　由于风洞的主要部段均是在工厂制作完成后运到建设现场安装，按风洞使用阶段需求设置的大门并不能满足所有大型设备的运输要求，并且这种对大型运输通道的需求又多是一次性的，因此，在厂房外墙上预留设备安装洞口是有必要的，也是最经济的。

 

　　2）大型设备起吊空间的考虑。

 

　　虽然主厂房内配置了16t的行吊，但还是不能满足如稳定段（重约38t）等部段的安装需求，只有采用汽车吊（100t）进行安装，因此必须复核厂房的净高能满足其最小操作空间要求。如果忽略了这一点，会给设备的安装增加不必要的难度，直接影响风洞的建设进度。

 

　　3）设备振动对厂房的影响。

 

　　风洞设备在运行过程中产生的振动会引起厂房结构的振动，在厂房设计时通常会采用隔振措施将振动设备或其基础与厂房或其基础隔离，以达到阻断振动传递的目的。而在重视厂房下部隔振设计的同时，也很容易忽略厂房屋面防水结构的选择。由于不能完全隔绝从地面传递到厂房的振动，轻微的振动可能会影响厂房屋面的防水性能。根据已有的建设使用经验，轻质结构的屋面容易出现防水结构局部失效的情况，而大型屋面板屋面的防水效果则明显要好。

 

　　5 结语

 

　　风洞工艺布局设计是在风洞设计方案的基础上，考虑试验需求，协调厂房设计，兼顾建设需求，相互优化，在完善风洞建设方案的同时，最终形成风洞厂房建设方案的一个过程。风洞工艺布局应适应实际的试验流程，做到布置合理、有利于试验生产、安装、维护及物流运输。

 

　　同时，为避免在建设阶段出现影响进度的问题，在进行风洞工艺布局设计时，不能仅从使用阶段的角度考虑问题，必须同时兼顾建设时期的需求。

 

　　因此，风洞工艺布局不仅关系到试验生产，还涉及到设备的安装施工，同时与其厂房的建设也紧密相连，须从风洞建设的全局考虑。

 

　　参考文献

 

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　　[2]孙冠男．汽车厂总装车间工艺布局改造[J]．汽车工程师，2013(3):60-62.

　　[3]张孝平，王祥．谈装载机备料车间的工艺设计与平面布局[J]．工程建设与设计，2013(10):25-28.

　　[4]高云凯，蒲明．焊装厂房面积和工艺布局分析[J]．现代制造技术与装备，2017(3):79-83.

　　[5]张权，席友梅，关涛．铁路货车新造生产工艺布局设计研究[J]．沈阳工程学院学报（自然科学版），2012,8(3):270-274.

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　　[8]罗颖．浅谈电子机械企业工艺布局设计[J]．机械，2009（增刊）：26-27.

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　　[10]秦建华，凌忠伟，王博文．0.6m暂冲式跨超声速风洞流场控制系统设计[J]．计算机测量与控制，2017,25(11):50-54.