劉 琴, 張國(guó)彪, 張志峰, 張 誠(chéng)

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

0 引 言

在跨聲速范圍內(nèi),飛行器的流動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜，為了準(zhǔn)確模擬某飛行器作動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)開閉過(guò)程時(shí)的流場(chǎng)，評(píng)估分析該機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性、可靠性以及開閉過(guò)程對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響，需要采用全尺寸模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而其全尺寸模型的橫向尺寸超出了目前國(guó)內(nèi)最大的跨聲速風(fēng)洞2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞現(xiàn)有試驗(yàn)段的實(shí)際寬度。為了滿足試驗(yàn)需求和縮短研制周期，考慮在不改變2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞現(xiàn)有洞體相關(guān)部段(主要是試驗(yàn)段上下游的穩(wěn)定段、收縮段、噴管段和補(bǔ)償段等)結(jié)構(gòu)和安裝條件的前提下重新研制一個(gè)截面尺寸為3 m×1.92 m(寬×高)的專用開孔壁試驗(yàn)段，與風(fēng)洞現(xiàn)有試驗(yàn)段互換使用。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外2 m量級(jí)以上的跨聲速風(fēng)洞共計(jì)24座(其中國(guó)內(nèi)2座，試驗(yàn)段口徑均為2.4 m×2.4 m)。這些風(fēng)洞中可相互更換使用的試驗(yàn)段大部分都采用了相同尺寸，僅有少部分,如DNW-HST風(fēng)洞，雖然有2個(gè)不同尺寸的試驗(yàn)段，但其上游噴管段可根據(jù)不同的試驗(yàn)段進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保各試驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)良。2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞新研制的專用開孔壁試驗(yàn)段,其尺寸不僅與風(fēng)洞現(xiàn)有試驗(yàn)段尺寸差異較大，而且還不能對(duì)試驗(yàn)段上下游相關(guān)部段進(jìn)行適應(yīng)性改造，因此，專用試驗(yàn)段的流場(chǎng)能否達(dá)到試驗(yàn)需求，氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案是關(guān)鍵。目前，該方面的相關(guān)研究工作國(guó)內(nèi)外尚未有公開的文獻(xiàn)可供參考。

為了驗(yàn)證該試驗(yàn)段氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案的可行性和所建立的流場(chǎng)能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所利用0.24 m×0.20 m跨聲速風(fēng)洞(2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞)為平臺(tái)，采用變截面氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)、加工了一個(gè)專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件，并開展了預(yù)先性實(shí)驗(yàn)研究工作。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

0.24 m×0.20 m跨聲速風(fēng)洞是一座由多噴嘴引射器驅(qū)動(dòng)的回流式跨聲速風(fēng)洞(見(jiàn)圖1)。該風(fēng)洞是2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸為0.24 m×0.20 m(寬×高)，試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為Ma=0.3～1.2、1.4。該風(fēng)洞的設(shè)計(jì)為“積木式”，其穩(wěn)定段、噴管段、試驗(yàn)段、支架段、柵指段、拐角段等部段均為可拆卸部段，方便安裝各種實(shí)驗(yàn)件。

本實(shí)驗(yàn)需將風(fēng)洞原有試驗(yàn)段和支架段整體移出，更換成新設(shè)計(jì)的專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件。

圖1 0.24 m×0.20 m跨聲速風(fēng)洞

2 實(shí)驗(yàn)件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞專用開孔壁試驗(yàn)段主要設(shè)計(jì)要求為：試驗(yàn)段總長(zhǎng)10.2 m，試驗(yàn)區(qū)截面尺寸為3 m(寬)×1.92 m(高)；試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度不小于6.5 m，模型均勻區(qū)長(zhǎng)度不小于3.5 m；流場(chǎng)品質(zhì)必須滿足σM≤0.01(0.4≤Ma<1.0)、σM≤0.02(1.0≤Ma≤1.2、1.4)。根據(jù)大風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求，按縮比換算后得到0.24 m×0.20 m跨聲速風(fēng)洞專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件設(shè)計(jì)要求為：試驗(yàn)區(qū)截面尺寸為300 mm×160 mm(寬×高)，試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度不小于650 mm，模型均勻區(qū)長(zhǎng)度≥350 mm。專用試驗(yàn)段模型均勻區(qū)在亞、跨聲速流場(chǎng)的均勻性要求分別為σM≤0.01(0.4≤Ma<1.0)、σM≤0.02(1.0≤Ma≤1.2、1.4)。

2.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件截面尺寸為300 mm×160 mm，其入口和出口需與上下游的噴管段(截面尺寸240 mm×200 mm)和柵指段(截面尺寸266 mm×176 mm)銜接，而試驗(yàn)段僅能與該風(fēng)洞原有試驗(yàn)段和支架段互換，其在長(zhǎng)度方向上總體尺寸為945 mm，同時(shí)還要保證試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度不小于650 mm。試驗(yàn)段前后需要過(guò)渡，且又在長(zhǎng)度方向上受到限制，沒(méi)有足夠空間進(jìn)行優(yōu)化。因此，氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案是研究工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.3 設(shè)計(jì)方案

專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件采用了變截面氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。在實(shí)驗(yàn)件設(shè)計(jì)階段針對(duì)各功能段的劃分、過(guò)渡曲線選取、開孔率分布等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)提出了多種設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)多方案比較并結(jié)合CFD數(shù)值模擬結(jié)果[1]，最終確定設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。

專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件總長(zhǎng)945 mm，沿氣流方向?qū)⒃囼?yàn)段分為前過(guò)渡段、中段和后過(guò)渡段3個(gè)部分[2-5]。

圖2 專用開孔壁試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)件輪廓圖

前過(guò)渡段是為了與上游噴管銜接而設(shè)計(jì)的，采用曲線過(guò)渡，型面曲線為三次曲線，入口尺寸240 mm×200 mm，出口尺寸300 mm×160 mm，長(zhǎng)200 mm。在距前過(guò)渡段入口100～200 mm處設(shè)置有三角形的開孔區(qū)域[6-7]，開閉比為20%。

中段為試驗(yàn)區(qū)，入口和出口的尺寸均為300 mm×160 mm，長(zhǎng)675 mm。上下壁為實(shí)壁，左右壁為斜孔壁，開閉比為6%。試驗(yàn)段上下壁擴(kuò)開角均可調(diào)節(jié)，壁板擴(kuò)開角調(diào)節(jié)范圍為0°～0.5°。其加速區(qū)開孔率分布的調(diào)節(jié)采用貼孔的方式實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖3)[8-9]。

后過(guò)渡段與下游柵指段相連，長(zhǎng)70 mm，采用直線過(guò)渡，四壁均為實(shí)壁。該段入口尺寸300 mm×160 mm，出口寬度為266 mm，高度方向可調(diào)，在出口處與柵指段入口形成主流引射縫，上下引射縫高度可調(diào)節(jié)。

圖3 試驗(yàn)段開孔率分布

3 實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試方法

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)研究的主要工作：一是摸清變截面試驗(yàn)段的流場(chǎng)特性；二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案、洞體條件和開車參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)研究壁板擴(kuò)開角α、主流引射縫開度h、開孔率分布、后過(guò)渡段擴(kuò)散角度γ等重要參數(shù)對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響規(guī)律[10-14]。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

(1) 洞體條件影響性實(shí)驗(yàn)：僅改變洞體條件中某一參數(shù)(如：壁板擴(kuò)開角、主流引射縫開度和開孔率分布等)，測(cè)量Ma=0.4～1.2、1.4時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布，研究不同洞體條件對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響情況，從而確定最終氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2) 開車參數(shù)影響性實(shí)驗(yàn)：固定某一洞體條件，在Ma=1.1時(shí)采用不同開車參數(shù)(如：前室壓力、駐室抽氣量)運(yùn)行，測(cè)量試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布，研究不同開車參數(shù)下對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻性的影響情況，從而確定最佳風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)。

3.2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)所使用的主要測(cè)試儀器為軸向靜壓探測(cè)管和壓力掃描閥。軸向靜壓探測(cè)管總長(zhǎng)為1.5 m，直徑為28 mm，共有22個(gè)測(cè)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)分析時(shí)選取長(zhǎng)度375 mm(距試驗(yàn)段入口180～555 mm)區(qū)域內(nèi)的測(cè)點(diǎn)計(jì)算馬赫數(shù)均方根偏差σM。壓力掃描閥為PSI公司9116型(量程±1.5×105Pa，精度0.05%)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 洞體條件影響性實(shí)驗(yàn)

在Ma=0.4～1.2時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)引射縫開度h、擴(kuò)開角α、擴(kuò)散角度γ和開孔率分布等參數(shù)，得到不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下專用開孔壁試驗(yàn)段的流場(chǎng)情況，部分實(shí)驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 不同組合參數(shù)下實(shí)驗(yàn)狀態(tài)Table 1 Test conditions of different parameters

圖4為擴(kuò)開角α=0°、前過(guò)渡段不開孔、中段加速區(qū)全開孔情況下，不同引射縫開度h時(shí)試驗(yàn)段各馬赫數(shù)均方根偏差σM的對(duì)比曲線?？梢钥闯觯涸贛a>0.8時(shí)，2種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的流場(chǎng)均勻性差別很大，這種情況與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差異[2]。分析其原因，主要是因?yàn)閷Ｓ瞄_孔壁試驗(yàn)段的特殊布局所造成的。

圖4 不同引射縫開度時(shí)試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線

在跨聲速風(fēng)洞中主流引射縫通常是由試驗(yàn)段和支架段形成，通過(guò)調(diào)節(jié)支架段入口尺寸來(lái)改變引射縫的開度；而專用開孔壁試驗(yàn)段的引射縫是靠后過(guò)渡段與柵指段形成的，可通過(guò)調(diào)節(jié)后過(guò)渡段出口尺寸來(lái)改變引射縫的開度。所以在調(diào)節(jié)引射縫開度時(shí)，后過(guò)渡段的擴(kuò)散角度也會(huì)隨之變化，而其對(duì)流場(chǎng)的影響其實(shí)是引射縫開度和后過(guò)渡段擴(kuò)散角度耦合作用的結(jié)果，而二者中后過(guò)渡段擴(kuò)散角度的影響為主要因素。實(shí)驗(yàn)中，引射縫開度h=12 mm時(shí)，后過(guò)渡段擴(kuò)散角度超過(guò)30°后，其馬赫數(shù)均方根偏差σM在Ma>0.8時(shí)突然變差，可見(jiàn)，后過(guò)渡段擴(kuò)散角度太大對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響很大，因此，在下一步實(shí)驗(yàn)研究和大風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化時(shí)應(yīng)將后過(guò)渡段擴(kuò)散角度盡量控制在30°以內(nèi)。

由于在調(diào)節(jié)擴(kuò)開角時(shí)后過(guò)渡段的擴(kuò)散角度也會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)上述引射縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將擴(kuò)開角α=0.5°時(shí)的后過(guò)渡段擴(kuò)散角度定為23.2°(與表1中實(shí)驗(yàn)狀態(tài)2的后過(guò)渡段擴(kuò)散角度一樣)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的引射縫開度為12 mm。圖5為前過(guò)渡段不開孔、中段加速區(qū)全開孔情況下，不同擴(kuò)開角時(shí)試驗(yàn)段各馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：一是在固定引射縫開度情況下，由于在調(diào)節(jié)擴(kuò)開角時(shí)后過(guò)渡段擴(kuò)散角度隨著擴(kuò)開角的增大而減小，使得流場(chǎng)均勻性有往好的方向發(fā)展的趨勢(shì)；二是雖然擴(kuò)開角的調(diào)節(jié)有利于減小后過(guò)渡段擴(kuò)散角度，改善流場(chǎng)均勻性，但是并不是擴(kuò)開角越大流場(chǎng)越好，而是要適度。在后過(guò)渡段擴(kuò)散角度小于30°時(shí)，綜合比較各馬赫數(shù)下馬赫數(shù)均方根偏差σM，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)開角α= 0.3°時(shí)流場(chǎng)均勻性更好。

圖5 不同擴(kuò)開角時(shí)試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線

圖6為擴(kuò)開角α=0.5°、引射縫開度h=12 mm、中段加速區(qū)全開孔情況下，不同前過(guò)渡段開孔率分布時(shí)試驗(yàn)段各馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線。在實(shí)驗(yàn)件方案設(shè)計(jì)時(shí)，在前過(guò)渡段與中段截面變化交界處的曲面壁上特別設(shè)計(jì)了部分開孔區(qū)域，主要想解決前過(guò)渡段上下壁面收縮帶來(lái)的影響，同時(shí)也想通過(guò)該設(shè)計(jì)將中段加速區(qū)提前，從而增加中段模型區(qū)長(zhǎng)度。但根據(jù)圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：前過(guò)渡段曲面壁不開孔時(shí)的流場(chǎng)比其他形式的流場(chǎng)要好一些，也就是說(shuō)，在前過(guò)渡段曲面壁上開孔不僅沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目的，反而在高馬赫數(shù)時(shí)對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)起到壞的影響。

圖7為擴(kuò)開角α=0.3°、引射縫開度h=12 mm、前過(guò)渡段不開孔情況下，不同中段加速區(qū)開孔率分布時(shí)試驗(yàn)段各馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線。中段加速區(qū)的開孔率主要比較了兩種狀態(tài)：狀態(tài)1為全開孔，即加速區(qū)與模型區(qū)開孔率相同，均為6%見(jiàn)圖3(a)；狀態(tài)2為貼孔，即加速區(qū)呈三角形開孔(三角形底為32 mm，高為100 mm)，其開孔率由0逐漸單調(diào)遞增到與模型區(qū)相同，見(jiàn)圖3(b)。但根據(jù)圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合比較各馬赫數(shù)下的均方根偏差可見(jiàn)：中段加速區(qū)開孔率采用遞增方式對(duì)優(yōu)化流場(chǎng)是有利的。

圖6 不同前過(guò)渡段形式時(shí)試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線

圖7 不同中段加速區(qū)形式時(shí)試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比曲線

在對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合比較后，確定能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的專用開孔壁試驗(yàn)段方案和洞體條件(即：擴(kuò)開角α=0.3°、引射縫開度h=12 mm、前過(guò)渡段曲面不開孔、中段加速區(qū)采用遞增方式開孔)，并在該條件下將噴管更換為M1.4噴管，得到Ma=1.4時(shí)馬赫數(shù)均方根偏差為σM=0.0176，能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。表2給出了該洞體條件時(shí)各馬赫數(shù)下的均方根偏差。圖8給出了該洞體條件時(shí)各馬赫數(shù)下軸向馬赫數(shù)分布曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：專用開孔壁試驗(yàn)段在模型區(qū)長(zhǎng)度為375 mm時(shí)，馬赫數(shù)均方根偏差滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并且在Ma≤1.0時(shí)，馬赫數(shù)均方根偏差還能達(dá)到國(guó)軍標(biāo)合格指標(biāo)要求[15]。

表2 各馬赫數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results with different Mach numbers

圖8 各馬赫數(shù)下軸向馬赫數(shù)的分布曲線

4.2 開車參數(shù)影響性實(shí)驗(yàn)

0.24 m×0.20 m跨聲速風(fēng)洞在Ma≥0.9時(shí)采用了駐室抽氣的運(yùn)行方式，通過(guò)調(diào)節(jié)前室總壓和駐室抽氣量來(lái)控制試驗(yàn)段馬赫數(shù)。為了比較該運(yùn)行方式下不同開車參數(shù)對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響情況，在固定洞體條件(擴(kuò)開角0.5°、引射縫開度12 mm、前過(guò)渡段曲面不開孔、中段加速區(qū)全開孔)下，采用了3種開車參數(shù)進(jìn)行Ma=1.1的實(shí)驗(yàn)(開車參數(shù)分別為：前室總壓p0=1.3×105Pa，輔引集氣室壓力p＇0=9.4×105Pa，對(duì)應(yīng)駐室抽氣量為2.24%；前室總壓p0=1.4×105Pa，輔引集氣室壓力p＇0=6.9×105Pa，對(duì)應(yīng)駐室抽氣量為0.47%；前室總壓p0=1.5×105Pa，輔引集氣室壓力p＇0=5.8×105Pa，對(duì)應(yīng)駐室抽氣量為0.12%)。圖9為不同開車參數(shù)下試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：3種開車參數(shù)下試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻性相差不大，馬赫數(shù)均方根偏差最大相差為0.0012。因此，開車參數(shù)對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻性影響很小，在風(fēng)洞調(diào)試或運(yùn)行時(shí)，可以選擇耗氣量小的開車參數(shù)。

圖9 不同開車參數(shù)下試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)對(duì)比曲線

5 結(jié) 論

本文主要研究了變截面試驗(yàn)段的流場(chǎng)特性，解決了2.4 m×2.4 m跨聲速風(fēng)洞新增設(shè)一個(gè)專用開孔壁試驗(yàn)段的可行性問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)化了專用開孔壁試驗(yàn)段氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明：

(1) 專用開孔壁試驗(yàn)段采用變截面試驗(yàn)段氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案是可行的，且所建立的流場(chǎng)能夠滿足σM≤0.01(0.4≤Ma<1.0)、σM≤0.02(1.0≤Ma≤1.2、1.4)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(2) 由于專用開孔壁試驗(yàn)段氣動(dòng)布局的特殊性，在調(diào)節(jié)主流引射縫和壁板擴(kuò)開角時(shí)，后過(guò)渡段擴(kuò)散角度也會(huì)隨之改變，而試驗(yàn)段流場(chǎng)性能是這些參數(shù)相互耦合作用的結(jié)果，因此，盡量匹配好三者之間的關(guān)系才能得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的流場(chǎng)。

(3) 在Ma≥0.9采用駐室抽氣方式運(yùn)行時(shí)，不同開車參數(shù)(前室總壓、駐室抽氣量)對(duì)流場(chǎng)均勻性影響很小，因此，風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)可以選擇耗氣量小的開車參數(shù)。