榮 臻，鄭 耀

(浙江大學 航空航天學院，杭州 310027)

0 引 言

風洞是航空航天領域極為重要的地面實驗設施，風洞實驗對空氣動力學的發(fā)展和各種航空航天飛行器的研制起著決定性的作用[1]。為了深入開展均勻各向同性湍流、剪切湍流及層流轉捩等機理性的湍流實驗研究, 發(fā)展新型流動控制技術及低阻翼型，以及深入研究湍流模型理論及驗證新的氣動概念，需要設計建造低湍流度、低噪聲、氣流穩(wěn)定均勻的風洞, 以消除外界擾動的影響, 保證實驗結果的準確性和可靠性。目前，從事流體穩(wěn)定性和湍流研究的專家都一致認為湍流度小于0.08%的風洞可稱為低湍流度風洞[2]。國內主要有西北工業(yè)大學的低湍流度風洞[3]、上海大學的低湍流度風洞SIAMM400[4]以及北京航空航天大學的D4低湍流度風洞[5]。

低湍流度靜聲風洞以新型飛行器研究為導向，以解決低速空氣動力學的難點問題和發(fā)展新型風洞實驗技術為目標，立足于教學、科研和工程實踐，開展相關新概念、新方法、新技術的前瞻性和基礎性研究。該風洞是一座低湍流度、低噪聲的半回流式低速風洞，其進排氣口均直通大氣。風洞實驗段尺寸為寬1.2 m×高1.2 m×長3.5 m，常用風速范圍內(30-50 m/s)湍流度ε=0.04%～0.05%，使用風速范圍為15～75 m/s。該風洞具備先進的數據采集能力，全面應用非接觸式光學全流場測試系統(tǒng)，能夠開展模型靜動態(tài)氣動力測試，可實時、定量顯示模型表面和周圍繞流流場信息以及開展半實物數值模擬仿真。

1 低湍流度靜聲風洞總體氣動設計及布局

1.1 風洞總體設計指標和要求

低湍流度靜聲風洞的主要設計指標：實驗段使用風速25～70 m/s，常用風速范圍內(30～50 m/s)模型區(qū)中心的湍流度0.04%～0.05%；在常用風速下，任一動壓下重復7次，落差系數的均方根偏差不大于0.002；在模型區(qū)75%的橫向截面內動壓場系數|μi|≤0.5%；在模型區(qū)75%橫截面內，Δα< 0.5°，Δβ<0.5°；平均氣流偏角：Δα<0.2°，Δβ< 0.2°；在模型區(qū)靜壓梯度|dCp/dx|≤0.005；在常用風速下，模型區(qū)中心處動壓穩(wěn)定性小于0.005。

常用風速范圍內(35～50 m/s)噪聲：模型區(qū)的噪聲≤65 dB；大廠進出氣口外噪聲≤55 dB。

1.2 半回流式設計

常見的低速風洞結構型式為直流式風洞和回流式風洞兩種，其各自的優(yōu)缺點如表1所示[6]。受限于場地面積，同時要滿足可開展流動顯示實驗的要求，低湍流度靜聲風洞采用半回流式設計構型，也稱為“馬蹄”型，風洞進排氣口將直接與大氣相通,如圖1所示。流動顯示及眾多非接觸式光學測量實驗，如粒子圖像測速實驗(PIV)和多普勒測速實驗(LDV)，都需要在流場中均勻布撒示蹤粒子。低速風洞實驗中常在氣流中加入霧化的食用油滴作為示蹤粒子，其散光性及流動跟隨性均可滿足相應的實驗要求。相較于回流式風洞，半回流式構型風洞進排氣口與大氣相通，大量的油滴等排放物可直接排入大氣，不會污染甚至是堵塞風洞洞體，尤其是阻尼網和蜂窩器，氣流品質基本不受影響；但為了達到PIV或LDV測試區(qū)域布撒粒子濃度要求，必須要增大進氣口粒子布撒流量。另外，半回流式風洞的湍流度及噪聲較回流式風洞會嚴重一些，對其相應的氣動設計帶來很大挑戰(zhàn)。

表1 兩種形式風洞的比較[6]

圖1 風洞的3D示意圖

1.3 風洞總體布局

圖2為低湍流度靜聲風洞布置圖。風洞由穩(wěn)定段(含蜂窩器和10層阻尼網)、收縮段、實驗段、第1、第2擴散段、第1拐角、第3擴散段、第2拐角、動力段前過渡段、動力段、第4、第5擴散段以及進排氣口消聲裝置等部分組成，其中收縮段的收縮比為14.8，電動機功率為200 kW。實驗段截面為正方形切角，實驗段邊長為1.2 m，長3.5 m。風洞總長為24.914 m，最大寬度為5.468 m，最大高度為5.468 m。

2 低湍流度靜聲風洞各部件氣動設計

2.1 穩(wěn)定段

穩(wěn)定段的作用是為收縮段提供均勻來流的進口條件，直接影響到實驗段氣流品質的好壞。由于風洞選用半回流構型，進氣口直接通大氣，進氣速度和方向不均勻，主流中還存在大尺寸旋渦，氣流品質較為惡劣。為了降低湍流度并防止氣流在入口處分離，對穩(wěn)定段進行了詳細設計，包括進氣口、截面、湍流衰減裝置的結構與布局(蜂窩器和阻尼網)以及長度等。蜂窩器和阻尼網的作用都是氣流均勻或降低湍流度。如圖3所示，穩(wěn)定段由收集器、蜂窩器、等直管道和10層阻尼網組成。其中，收集器位于穩(wěn)定段入口處，為保證氣流光滑無分離進入穩(wěn)定段，其型面采用1/4圓弧，截面為切角正方形；之后安裝有正六邊形蜂窩器，其對邊距為10 mm，長為150 mm，長細比為15。研究結果表明[7]，該尺寸和長度的蜂窩器可以最大限度地衰減湍流；阻尼網設計為9.45目/cm(24目/吋)、絲徑為0.25 mm的阻尼網，即孔格1.058 mm×1.058 mm，層數為10層，為便于清洗維護，10層組尼網分為5組，兩層一組，層與層間隔150 mm；組與組間隔500 mm；等直管道長度為6.05 m，可起到靜流段的作用。

2.2 收縮段

收縮段主要是使來自穩(wěn)定段的氣流均勻加速，并改善實驗段的流場品質。收縮段的設計應滿足如下要求：氣流流過收縮段時單調加速，避免氣流在洞壁發(fā)生分離；收縮段出口處氣流速度分布均勻, 方向需平直，并且穩(wěn)定。收縮段能否滿足這些要求，主要取決于兩個方面：收縮比和收縮曲線。在一定的實驗段橫截面積和速度條件下，收縮比取得大一些，可使穩(wěn)定段的速度相對降低，使穩(wěn)定段、蜂窩器和阻尼網在提高流場品質方面的效果相對好一些，而引起的氣流能量損失也相對小一些。常見的幾種收縮曲線包括維辛斯基曲線、雙三次曲線、五次方曲線和多軸維辛斯基曲線[8]。比較這幾種曲線可以知道，維辛斯基曲線進口處收縮快，后部收縮緩慢，出口速度較均勻。但因進口處收縮太快，會出現(xiàn)一個明顯的逆壓梯度。而雙三次曲線和五次方曲線進口處收縮較平滑，無逆壓梯度現(xiàn)象的出現(xiàn),而且出口速度過沖比方面，雙三次曲線較五次方曲線較好，速度也較均勻。因此，收縮曲線選取常用的雙三次方收縮曲線，公式為：

1-進氣百葉窗，2-進氣防蟲網，3-進氣消聲體，4-收集器，5-穩(wěn)定段，6-收縮段，7-試驗段，8-第1擴散段，9-第2擴散段，10-第1拐角段，11-第3擴散段，12-第2拐角段，13-過渡段，14-動力段，15-第4擴散段，16-第5擴散段，17-排氣消聲體，18-排氣防蟲網，19-排氣百葉窗組成

圖3 穩(wěn)定段的3D示意圖

圖4 收縮段的3D示意圖

2.3 實驗段

實驗段是安裝模型進行實驗的區(qū)域，是風洞的重要組成部分。為了真實模擬原形模型流場狀態(tài)，遵循流動相似定律，實驗段尺寸和氣流速度設計應滿足實驗Re要求。此外，實驗段氣流應穩(wěn)定且空間分布均勻，湍流度、噪聲強度、靜壓梯度應較低。另外，實驗段還需充分考慮安裝模型和有關設備的方便性。一般實驗段內部沿軸向(順來流方向)有擴散角，使橫截面積沿軸向逐漸增大，以減小由于壁面附面層沿軸向增厚而產生的負靜壓梯度的絕對值。實驗段截面為方形切角，入口截面邊長1.2 m，長度為L=3.5 m。采用改變切角的方法對其進行軸向靜壓梯度的修正，當量擴散角為0.23°，如圖5所示。

實驗段位于風洞實驗室二樓，兩側分別為控制間和光學測試設備間，如圖6、7所示。實驗段左、右側面和頂面留有光學觀察窗口。左右側兩側壁各裝有一塊800×560 mm光學玻璃，可120°開閉。頂面為固定式窗口，有效觀察面積為500 mm×500 mm，方便布置光學測量設備。全部觀察窗玻璃均使用鋼化浮法玻璃。實驗段下底面開有φ800 mm的圓孔，與風洞角度機構相聯(lián)。低湍流度靜聲風洞角度機構選用風洞常用的串聯(lián)運動機構組合形式，其中α、β機構采用交流伺服電機分別進行驅動。α角度機構采用半彎刀尾撐結構，用交流伺服電動機驅動減速機，帶動蝸輪蝸桿機構，利用彎刀上的導向裝置導向，使模型繞著轉動中心轉動，從而實現(xiàn)α角度的變化。β角度機構通過交流伺服電機驅動減速機，帶動小齒輪，使回轉支撐轉動，回轉支撐與轉盤相連，隨轉盤做同步轉動，變α角度機構坐落于變β角機構的轉盤上，從而實現(xiàn)模型變β角運動。α角度機構坐落于β角度機構之上，兩個角度機構共同運動實現(xiàn)模型姿態(tài)調整控制，如圖8所示。

圖7 光學測試間

圖8 風洞轉盤機構

2.4 動力段

動力段包括風扇槳葉、整流罩、止旋片和電動機等，其結構方案如圖9所示。整流罩采用鋼板焊接而成，分為前后兩部分：前整流罩用3片NACA0012對稱翼型的前掠支撐片支撐，前掠15°，等弦長500 mm，支撐片葉根后緣距槳葉葉根前緣距離600 mm。電動機安裝在后整流罩內，電動機支座焊接在整流罩內壁上。在后整流罩安裝電動機的位置，開設可拆裝的上蓋，并可預留檢修門。11個止旋片中6個作為電動機及整流罩的支撐，5個作為動力段后段與整流罩上蓋的支撐，并且在距止旋片1 680 mm處，增加3片NACA0012對稱翼型的支撐片支撐，等弦長160 mm。螺旋槳包括槳葉和槳轂，槳葉采用碳纖維制作，槳轂采用Q235，槳葉與槳轂精密裝配后做靜平衡。

圖9 風洞動力段

2.5 風洞能量比

風洞能量比

(2)

式中，K0i為風洞各部分的壓力損失系數。根據氣動計算結果可得，本風洞的能量比為2.47。

2.6 所需電動機功率

風洞所需的電動機功率為

(3)

式中：ERt為能量比，ERt= 2.47；η為風扇效率，η=0.8；vt為實驗段風速，vt= 70 m/s；Ft為實驗段面積，F(xiàn)t= 1.356 m2。將以上數據代入式(3)中，即可得所需電動機功率N= 160 kW。取1.15倍裕量壓增進行設計，風洞系統(tǒng)選用200 kW的交流伺服電動機。

3 風洞低湍流度設計及流場校測

低湍流度是該風洞的主要特色之一，降低風洞的湍流度要求風洞有比較好的總體氣動設計，在風洞管路中不產生明顯的氣流分離和比較大的橫向擾動。為實現(xiàn)極低湍流度性能，低湍流度靜聲風洞主要采取了以下措施：選用性能良好的蜂窩器、損失系數適當的多層阻尼網以及優(yōu)良的收縮段曲線。

3.1 穩(wěn)定段及其整流網格的設計匹配

根據有關文獻分析統(tǒng)計[9]，一般來說，風洞進口附近自由流的湍流度大約為8%；若單獨用蜂窩器，其后湍流度降低不了多少；但經過精心加工的蜂窩器并與一層精心選配的細絲徑網形成組件后則可使其后的湍流度降低到約5%。

為導順氣流、搗碎漩渦、減少湍流的橫側分量，減緩蜂窩器尾端的不穩(wěn)定性剪切所引起的湍流滋生，為該風洞匹配長150 mm,對邊距為10 mm，壁厚0.1 mm的正六邊形蜂窩器。

統(tǒng)計資料表明[9]，在蜂窩器之后的湍流度約為5%，怎樣才能使湍流度達到目標值，這里非常重要的,就是一定要仔細配合適規(guī)格的多層阻尼網：選擇10層單層損失為1.23的阻尼網，即孔格為1.058 mm×1.058 mm，絲徑為0.25 mm的阻尼網，此時開孔率為0.583，單層湍流衰減因子為0.670 4。

3.2 收縮段壁型

一座風洞要真正達到好的流場品質，特別是要達到先進的低湍流度指標，這就必須考慮不僅是要采用大收縮比的問題，還必須考慮采用適當的壁型確保在收縮段內不發(fā)生分離，并有很薄的邊界層厚度。這樣，在進口和出口部分的壁型應該變化緩慢，具有盡可能小的曲率。

對比現(xiàn)有的若干收縮段曲線設計方法，采用雙三次方關系收縮曲線。收縮比為14.87的收縮段的整體湍流衰減因子為0.183 45，本方案忽略靜流段作用。這樣，實驗段氣流湍流度ε為：

ε=5%×0.670 410×0.183 45=0.016 8%

因此采取以上措施配合精細的施工，可以實現(xiàn)本風洞低湍流度的指標。

3.3 流場校測設備及方法

Initium壓力測量系統(tǒng)用于測量風洞試驗段的方向場和動壓場，本期校測采用閥塊量程為0.5 psid，精度0.1%，如圖10(a)所示。

在測量中使用到希特差壓傳感器，精度0.07%。

校測中用到5個五孔探頭，分別為1#、3#、5#、6#、8#五孔探頭，五孔探頭直徑12 mm，靜壓孔距前緣53 mm，長400 mm。探頭幾何尺寸全部一樣，直徑12 mm，如圖10(b)所示。

為滿足流場校測需要，加工了測量方向場和動壓場的測量耙以及測量軸向靜壓梯度的游測管，如圖10(c)所示。

湍流度測量使用丹迪恒溫熱線風速儀，該熱線風速儀由熱線風速儀測量模塊90C10、6模塊框架CTA 90N10、熱線(熱膜)探針、A/D轉換接口板、StreamWare數據處理應用軟件、控制計算機(PetiumIV，1G RAM)構成(見圖10(d))。本次實驗使用55P11型一維探頭測量試驗段軸向瞬時速度，獲得試驗段核心流來流方向湍流度。

(a)Initium壓力測量系統(tǒng)

(b)五孔探頭

(c)排管

(d)熱線風速儀

3.4 調試結果

校測實驗結果表明，風洞的主要性能參數滿足指標要求，見表2。

表2 風洞流場校測結果

4 風洞低噪聲設計

風洞實驗段噪聲主要有3種成因：風機噪聲、風洞管壁振動產生的噪聲以及氣流通過風洞回路中的部件，如阻尼網等產生的噪聲[10]。該風洞的聲學處理主要從以下3個方面展開：風洞管壁外隔聲處理、風洞管壁內消聲處理以及減振處理。隔聲處理主要通過環(huán)繞實驗段的消聲室，實現(xiàn)對外隔聲、對內吸聲。風源和風洞主體之間用管道消聲器來衰減風機驅動裝置的強噪聲，風源選用低噪聲風機。此外，風洞設計加工需考慮流道壁面的光順性，以減小風管再生氣動噪聲，采取一系列減振措施用于防止風洞管壁振動產生輻射噪聲。

經測試，常用風速35～50 m/s下，實驗大廳靠各監(jiān)測點噪聲均小于60 dB；在整個運行風速范圍內，大廠進出氣口外噪聲均小于55 dB。

5 結 語

低湍流度靜聲風洞已通過驗收并正式投入使用，其主要性能參數指標優(yōu)于國軍標要求。該風洞不僅滿足測力、測壓、流態(tài)演示等教學需要，還可開展無人機氣動、非定常流動控制以及仿生氣動研究等科學研究工作，將提高我?？諝鈩恿W基礎應用研究的水平。