低温风洞是工程上实现高雷诺数模拟试验的最佳途径。利用气体粘度随温度降低而降低、密度随温度降低而增大的特性，将风洞流体介质降低到低温温区，可以使风洞运行雷诺数显著提高。作为低温试验可视化观测设备的观察窗必须克服低温环境带来的诸多问题，如结构材料塑性降低、脆性增大，降温过程中降温速率过大、结构设计不合理等导致的应力集中和塑性变形，光学玻璃会因局部温度梯度过大而产生较大的温度应力导致碎裂，玻璃表面温度低于环境露点温度后产生结露起雾现象影响试验观测。本研究课题针对低温风洞观察窗，设计一种通过流体循环换热的多层观察窗结构，采用流-固-热耦合分析方法对观察窗降温过程中瞬态温度场和应力应变进行仿真，完成结构和换热优化设计，并通过试验验证玻璃窗结构设计的合理性和可靠性，确定最佳换热参数，为低温风洞观察窗的设计和安全运行提供重要的理论指导。
首先，使用Dittus-Boelter经验公式计算风洞流场壁面换热系数作为观察窗壁面热边界条件，采用ANSYS　Workbench软件进行观察窗静力学和稳态温度场分析，确定设计点工况下的低温观察窗结构参数，选定适合低温工况的材料。
其次，运用流固热耦合分析技术，使用MpCCI软件传递CFD和FEM仿真软件耦合界面数据，对观察窗低温工况下的动态换热过程进行模拟，获得观察窗在设计点工况下瞬态应力场和温度场，以观察窗玻璃表面温度高于环境露点温度为优化目标，以换热气体流速为变量，以观察窗整体应力水平和安全系数为辅助判定标准，对观察窗结构进行优化设计，获得换热气体初始运行参数。
第三，开展低温观察窗验证试验，根据前述模拟获得的换热气体流量，开展低温观察窗运行验证试验。在低温观察窗试验件上安装温度和应力测量装置，获得设计点工况下，观察窗实际的应力和温度场分布。
研究结果表明：采用动态气体换热的方法，低温观察窗在设计点工况下，最大应力小于120MPa，观察窗表面温度可以控制在284.6K以上，高于试验地区平均露点温度，整体安全系数1.7，通过试验验证了玻璃窗材料选取、结构设计的合理性和数值模型的正确性，满足低温风洞试验需求，为低温风洞观察窗的设计和安全运行提供了重要的理论指导和设计参考。