侯志勇,王連澤,周建和,何克敏

(1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院航天裝備系,北京 101416;2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京 100084;3.天津大學(xué),天津 300072;4.西北工業(yè)大學(xué),西安 710072)

0 引 言

低(變)湍流度風(fēng)洞是研究湍流結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)捩、邊界層控制、飛行器層流化等與湍流強(qiáng)度相關(guān)氣動(dòng)現(xiàn)象的必要設(shè)備[1],其設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)在文獻(xiàn)[1-10]中都有討論。正如文獻(xiàn)[1]所述,自上世紀(jì)30年代末至今,國內(nèi)外已建造約30座低湍流度風(fēng)洞,雖各有特點(diǎn),但皆以湍流度ε不高于0.05%并力爭達(dá)到0.02%(或更低)為首要目標(biāo)。其中,有11座湍流度ε不高于0.03%;不大于0.02%者為數(shù)很少。1981和1984年,南京航空學(xué)院和北京大學(xué)先后建成了我國首批低湍流度風(fēng)洞,ε低達(dá)0.08%～0.06%。此后約20年來(見表1),在國內(nèi)已先后建成并投入使用的4座低(變)湍流度風(fēng)洞皆具有優(yōu)良的流場品質(zhì)(各項(xiàng)指標(biāo)合格,且絕大多數(shù)指標(biāo)達(dá)國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)或較先進(jìn)指標(biāo)),其先進(jìn)的(和較先進(jìn)的)低湍流和變湍流性能已先后在教學(xué)和科研工作中發(fā)揮了不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。

為適應(yīng)當(dāng)今我國氣動(dòng)攻關(guān)、大飛機(jī)、層流化、流動(dòng)控制、低雷諾數(shù)、微流動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展,急需節(jié)能降耗、攻克與湍流相關(guān)的難題、解決流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的干擾影響,并因之需要發(fā)展高雷諾數(shù)及極低雷諾數(shù)下的低(變)湍流度氣動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備,故作如下交流探討。

1 對(duì)減少湍流度起重要作用的收縮段設(shè)計(jì)有新的便捷方法

1.1 合理選用較大收縮比

在適當(dāng)?shù)妮^大收縮比C范圍(C=6～20)內(nèi),選用符合工程實(shí)際的C值,不僅可減小能損,也可不同程度降低3個(gè)方向上相對(duì)湍流量值的水平,而C過大(C＞25)不僅成本高,且易引發(fā)低頻旋渦及影響各向同性[3-7]。按各向同性的假定[4,6],試驗(yàn)段入口處的湍流強(qiáng)度εt可表示為

表1 成功研制的4座低(變)湍流度風(fēng)洞Table 1 Four successfully constructed low(varying)turbulence wind tunnels

由(1)式得出湍流度減小收縮比作用系數(shù) fc～C曲線,見圖1。只有當(dāng)假定收縮段入口處湍流度為εs=U′s/Us≤0.1%的某值時(shí),C選用適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)才可得到所希望的試驗(yàn)段入口處湍流度εt的理論預(yù)估值。當(dāng)然,工程問題中考慮風(fēng)洞下游擾動(dòng)的上傳,εt理論預(yù)估值往往應(yīng)設(shè)定得更小些。因此,表1中各風(fēng)洞的C則是依所希望的εt值并結(jié)合各單位的經(jīng)費(fèi)、可用空間等綜合而定的。

圖1 收縮比C對(duì)湍流度減小的作用系數(shù) fc曲線Fig.1 The fccurve of the contraction ratio effect on reducing turbulence intensity

1.2 二次收縮并采用較大長徑比

以表1中裝備指揮技術(shù)學(xué)院先進(jìn)流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例,當(dāng)綜合考慮取總的C為16.2時(shí),經(jīng)用(1)式估算,其收縮比作用系數(shù) fc約為0.1758,即絕大部分的收縮段入口湍流度已被衰減。為了在實(shí)現(xiàn)這一預(yù)期目標(biāo)的同時(shí),又保證各組變湍流格網(wǎng)既能增湍又能橫向均勻分布(變湍流格網(wǎng)不宜置放于穩(wěn)定段尾部及試驗(yàn)段入口),還能在必要時(shí)做比1m×0.8m口徑空間更大的特殊試驗(yàn),則考慮采用二次收縮,使C=CⅠ×CⅡ=12.96×1.25=16.2,且為了避免分離,取第Ⅰ、Ⅱ收縮段的長度分別為入口當(dāng)量直徑的1.286倍及0.98倍,又適當(dāng)在兩段出口取平直延伸段,使出口氣流更均勻。

1.3 使用便捷的通用解求取五次方關(guān)系壁型

文獻(xiàn)[1]中所述西北工業(yè)大學(xué)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)[10]所述的實(shí)測結(jié)果表明,要達(dá)到好的流場品質(zhì),特別是達(dá)到較先進(jìn)的低湍流度指標(biāo),不僅要合理選用較大收縮比,還必須考慮所用壁型能確保在收縮段出口氣流均勻、穩(wěn)定、不發(fā)生分離,并有很薄的邊界層厚度。這樣,在進(jìn)口和出口部分的壁型應(yīng)該變化緩慢,具有盡可能小的曲率。根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)交流中所獲得的收縮段大收縮比壁型設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢,西北工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)首次成功設(shè)計(jì)[1,10],天津大學(xué)、清華大學(xué)采用同樣壁型曲線效果很好,文獻(xiàn)[7,9]也推薦五次方關(guān)系曲線。工程實(shí)踐表明五次方關(guān)系曲線確為收縮段壁型設(shè)計(jì)的較簡便的有效方法,因此,裝備指揮技術(shù)學(xué)院在設(shè)計(jì)中仍采用五次方關(guān)系收縮段曲線方程

其中,X為軸向距離,R為軸向各橫切面當(dāng)量半徑,a0,a1…a5為待定系數(shù)。

根據(jù)對(duì)收縮段入口處和出口處氣流連續(xù)緩慢變化、不發(fā)生分離的要求,其邊界條件為

在入口處

定義10 理想制造能力(MCI)指在企業(yè)一般的生產(chǎn)資料基礎(chǔ)上，沒有生產(chǎn)性約束條件下，所能達(dá)到的最大制造能力水平。

在出口處

如果每個(gè)風(fēng)洞設(shè)計(jì)收縮段時(shí)都很繁瑣的通過具體的數(shù)據(jù)去解方程、簡化、定各個(gè)系數(shù),就仍然顯得不夠便捷。故在積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了(5)式所示的通用解

當(dāng)量直徑

一旦收縮比C和出口處的當(dāng)量直徑De2確定,就可很快得出收縮段壁型公式(6)和(7)。與之對(duì)應(yīng),圖2為裝備指揮技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得出的收縮段Ⅰ和Ⅱ的壁型曲線

圖2 收縮段Ⅰ和Ⅱ的壁型曲線Fig.2 The wall shape curves of the contraction sectionⅠandⅡ

2 對(duì)減小湍流度起決定作用的穩(wěn)定段設(shè)計(jì)得出有效的綜合曲線

文獻(xiàn)[1-2]已說明了這一決定作用,通過下述討論再次強(qiáng)調(diào)這一論點(diǎn),并結(jié)合工程實(shí)踐給出一組實(shí)用有效的綜合曲線。

2.1 穩(wěn)定段前方環(huán)境來流的處理要因地制宜

前述諸文獻(xiàn)已強(qiáng)調(diào)過作為穩(wěn)定段的預(yù)備段,其前方來流需經(jīng)過一個(gè)空間較大、上下左右基本對(duì)稱(最好挖低坑)、三面進(jìn)氣(前、左、右)通暢、大面積窗應(yīng)預(yù)設(shè)兩道網(wǎng)面(外層粗絲大孔網(wǎng)保護(hù),內(nèi)層細(xì)絲小孔網(wǎng)整流)的進(jìn)氣室。西北工業(yè)大學(xué)低(變)湍流風(fēng)洞的原型及目前的擴(kuò)建型已證明這些措施是得當(dāng)?shù)?。但客觀條件也有例外,天津大學(xué)因?yàn)榭臻g緊張,只好把進(jìn)氣口伸出墻外,但又在很開闊的條件下為免除陣風(fēng)與污氣的影響,必須堅(jiān)持預(yù)設(shè)多層網(wǎng)的整流措施,效果尚可,只是不如室內(nèi)進(jìn)氣室條件下更易保潔;又如裝備指揮技術(shù)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)因進(jìn)氣口正前方是極為重要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,不允許開任何前窗,則在明顯加大兩個(gè)對(duì)稱側(cè)窗的同時(shí),有意使穩(wěn)定段進(jìn)氣口遠(yuǎn)離前方墻體1倍當(dāng)量直徑略多,其校測結(jié)果尚佳。

2.2 匹配小孔型蜂窩器更有效

依文獻(xiàn)[1,3-4,7-9]分析,為了破碎旋渦,導(dǎo)順和拉勻氣流,減弱尖跳流動(dòng),且主要是減少湍流的橫側(cè)分量,傳統(tǒng)大孔徑蜂窩器對(duì)減少湍流度作用不大,本設(shè)備匹配航空鋁合金材料小孔型蜂窩器,孔型當(dāng)量直徑為 8～10cm,孔深為 8～10倍孔型當(dāng)量直徑(100mm),不宜太長,以免在蜂窩器尾部的不穩(wěn)定性產(chǎn)生復(fù)雜的剪切干擾。含天津大學(xué)和清華大學(xué)風(fēng)洞在內(nèi),將這種高質(zhì)量蜂窩材料應(yīng)用于穩(wěn)定段整流,在國內(nèi)尚屬第3例。另外,西北工業(yè)大學(xué)的近期風(fēng)洞改造也用了這種匹配。

2.3 阻尼網(wǎng)組的匹配使用綜合速算圖線尚顯有效方便

阻尼網(wǎng)組的層數(shù)n應(yīng)取決于穩(wěn)定段末尾預(yù)設(shè)的湍流度量級(jí)。由于阻尼網(wǎng)組的湍流減少系數(shù)fn=1/(1+k)n/2＜f1=1/(1+K)1/2,穩(wěn)定段末端的湍流度U′s/Us量級(jí)除了取決于蜂窩器和阻尼網(wǎng)組,還應(yīng)留一定的旋渦衰減距離L衰＞0.2D安(D安為穩(wěn)定段出口處的當(dāng)量直徑)。對(duì)于穩(wěn)定段末端的湍流度用公式U′s/Us=fn?U′h/Uh來估計(jì) 。

表1中4座風(fēng)洞成功的工程實(shí)踐表明,在蜂窩器網(wǎng)組之后的湍流度Uh/Uh約為5%(有的回流式風(fēng)洞約6%)。一般來說,試驗(yàn)段的湍流度若要達(dá)到0.03%～0.01%,這種嚴(yán)格匹配的阻尼網(wǎng)層數(shù)就應(yīng)在8～12層配置(且網(wǎng)間距離不宜太小,不小于500d)。

正如表1所示,4座風(fēng)洞選用的收縮比C不同,其 fc大小不一,要使εt的預(yù)定值不致太高,就需設(shè)定好εs,于是反推所需的 fn(從而可決定所需的網(wǎng)面層數(shù)和規(guī)格)后,在市場選用合適的網(wǎng)面規(guī)格就是一個(gè)很實(shí)際的難題,故需多種應(yīng)對(duì)方案,則圖3的綜合性速算曲線就顯得較為有效方便。

圖3 某風(fēng)洞阻尼網(wǎng)組層數(shù)速算曲線Fig.3 The curve for fast calculating number of screens

3 試驗(yàn)段下游的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[1]指出,試驗(yàn)段的噪聲除與邊界層內(nèi)壓力脈動(dòng)有關(guān)外,主要來自通道內(nèi)的軸向聲波,主要來自風(fēng)扇。試驗(yàn)段的湍流水平、流場品質(zhì)除受到噪聲影響外,還要仔細(xì)避免下游各部段的分離、低頻不穩(wěn)定、各種擾動(dòng)的上傳,故風(fēng)扇動(dòng)力段、導(dǎo)流片設(shè)計(jì)中有關(guān)具體問題要慎重選擇,作系統(tǒng)性優(yōu)化匹配。4座風(fēng)洞在設(shè)計(jì)中做了以下嘗試：

(1)大實(shí)度風(fēng)扇(10～12葉);

(2)解決好預(yù)扭片和反扭片,做好氣動(dòng)設(shè)計(jì)和排除干擾;

(3)除一層細(xì)絲徑保護(hù)網(wǎng)外,在整流罩頭前方較遠(yuǎn)處等截面通道內(nèi),還設(shè)置多層(2層)細(xì)絲徑整流消音網(wǎng)(d=0.2～0.5mm)。這些網(wǎng)皆應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì),大開度比β(不小于80%);

(4)電機(jī)所在的包容式整流罩尾部外輪廓與洞體內(nèi)壁之間的通道沿軸向應(yīng)采用3°～3.5°以內(nèi)的半錐角,以免發(fā)生分離和干擾;

(5)從擴(kuò)張段到動(dòng)力段的尾部以及對(duì)于回流式風(fēng)洞的二擴(kuò)段和大端回流道,宜于開許多小孔群區(qū)域,可削弱聲波發(fā)射,并減弱旋渦的發(fā)展(孔徑為 Φ 1～Φ 2,小孔面積約占5%)。第Ⅱ收縮段及整個(gè)下游(擴(kuò)張段、方圓段和風(fēng)扇動(dòng)力段)的洞壁皆為夾層結(jié)構(gòu),充填吸音材料;

(6)對(duì)于回流式風(fēng)洞第4拐角導(dǎo)流片的尾部距蜂窩器的軸向距離不小于2～3倍導(dǎo)流片弦長,且導(dǎo)流片片距為12～15倍蜂窩器的孔型尺度;

(7)除了電機(jī)基座要隔震、動(dòng)力段與擴(kuò)張段之間要軟連接之外,宜于對(duì)直流可控硅調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備建造屏蔽室。若采用變頻調(diào)速應(yīng)處理好電磁干擾,以免影響測量湍流度的熱線風(fēng)速儀的功效。

裝備指揮技術(shù)學(xué)院先進(jìn)流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的大量流場校測詳細(xì)結(jié)果(此處僅舉例圖4和圖5)說明前述設(shè)計(jì)方法的確是有效而成功的。

圖4 采樣頻率 2kHz,風(fēng)速 30m/s時(shí),試驗(yàn)段位置(927,-100)橫穿的湍流度分布Fig.4 he turbulence intensity distributing on the working section(927,-100)under the condition that the sampling frequency is 2kHz and wind speed is 30m/s

圖5 沿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軸線湍流度的分布Fig.5 The turbulence intensity distributing along the working section axes in the wind tunnel

4 結(jié)束語

簡述成功研制的4座低(變)湍流度風(fēng)洞的設(shè)計(jì)思想和幾點(diǎn)有新意的設(shè)計(jì)方法經(jīng)過多次工程實(shí)踐和教學(xué)科研的長期考驗(yàn),表明其實(shí)用性和便捷性尚好,對(duì)同類設(shè)備尤其是高雷諾數(shù)和極低雷諾數(shù)的低(變)湍流度風(fēng)洞有一定的參考價(jià)值。

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