梁撐剛，張 琳，劉華偉

(西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710068)

0 引言

邊界層轉(zhuǎn)捩對提高飛行器性能具有重要的意義。研究認(rèn)為流動(dòng)在轉(zhuǎn)捩過程中，某些參量會(huì)發(fā)生劇烈的變化或出現(xiàn)峰值，并以此來定義“轉(zhuǎn)捩區(qū)”[1-3]。Huang[4]、Barrett[5]、Molin[6]等先后對靜態(tài)實(shí)驗(yàn)邊界層轉(zhuǎn)捩進(jìn)行研究，并得到結(jié)論認(rèn)為模型表面的脈動(dòng)壓力均方根值在邊界層轉(zhuǎn)捩過程中會(huì)出現(xiàn)峰值。

文中對翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中流動(dòng)表面邊界層內(nèi)脈動(dòng)壓力進(jìn)行測量及特征分析，并基于脈動(dòng)壓力均方根值的轉(zhuǎn)捩判定方法，將脈動(dòng)壓力判定轉(zhuǎn)捩的方法有效的從翼型靜態(tài)實(shí)驗(yàn)延伸到翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中去。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)翼型中心NF-3低速風(fēng)洞二元實(shí)驗(yàn)段完成的。實(shí)驗(yàn)所用的某翼型模型為鋼木結(jié)構(gòu)，安裝在風(fēng)洞二元實(shí)驗(yàn)段，弦長600 mm，展長1 600 mm，相對厚度9%。翼型上下表面各有15個(gè)測壓孔，對應(yīng)30個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器從測壓孔引出到風(fēng)洞外，其編號分別計(jì)為1#，2#，3#，…，30#。實(shí)驗(yàn)段還安裝熱線風(fēng)速儀和鼻錐以精確捕捉風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的速度場和壓力場品質(zhì)。

圖1 翼型模型風(fēng)洞安裝圖

圖2 翼型擺動(dòng)示意圖

采用自然轉(zhuǎn)捩，風(fēng)速30 m/s，翼型由被置于風(fēng)洞頂部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)做振幅10°范圍內(nèi)的擺動(dòng)，擺動(dòng)迎角α=0±10sin(wt)，α范圍為-10°～10°，振蕩頻率f分別為0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，動(dòng)態(tài)采樣率500 Hz，對應(yīng)于上述4個(gè)頻率下的采樣時(shí)間分別為1 280 s，1 280 s，1 024 s，1 024 s，截止頻率均為20 kHz。

另外，為驗(yàn)證及對比分析進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行脈動(dòng)壓力均方根值的轉(zhuǎn)捩判定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)壓力RMS值

可以看出，各迎角下流動(dòng)依次經(jīng)歷層流、轉(zhuǎn)捩區(qū)、湍流3個(gè)流態(tài)。以3°迎角為例：

1)1～6號傳感器RMS值較小，流動(dòng)處于層流狀態(tài)；

2)7號傳感器處，RMS值達(dá)到巔峰，流動(dòng)處于轉(zhuǎn)捩區(qū)；

3)7號傳感器以后，RMS值又開始減小，流動(dòng)由轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲄^(qū)。

此外，0°，1°，2°時(shí)曲線峰值在8號測壓點(diǎn)X=180 mm處，3°時(shí)前移到7號測壓點(diǎn)X=120 mm處，4°時(shí)再前移到6號傳感器X=75 mm處，符合隨迎角增大轉(zhuǎn)捩點(diǎn)前移的特征，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好判定轉(zhuǎn)捩，說明本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

2.2 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)捩判定

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

考慮實(shí)際擺動(dòng)中遲滯效應(yīng)及慣性的影響，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

1)對振幅(即迎角)去直流。第4列每一個(gè)數(shù)減去其平均值作為新的第4列，這樣迎角就被限定在理論的±10°范圍內(nèi)。

2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)過程分為上仰段和下俯段，分別提取0°～4°下對應(yīng)于每個(gè)角度的上仰段和下俯段單獨(dú)處理分析。

2.2.1 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)RMS對比分析

各迎角下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)壓力均方根值與靜態(tài)進(jìn)行對比分析(以a=0°為例進(jìn)行說明)，結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 上仰段動(dòng)靜態(tài)RMS值對比圖

圖5 下俯段動(dòng)靜態(tài)RMS值對比圖

可以看到，無論是上仰段還是下俯段，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中各頻率下的RMS值均大于靜態(tài)，各個(gè)頻率下均出現(xiàn)峰值，且不止一個(gè)，3個(gè)峰值對應(yīng)測壓點(diǎn)位置分別在X=120 mm，420 mm，565 mm處，所以轉(zhuǎn)捩位置尚不能立即確定。理論上，轉(zhuǎn)捩位置不可能像后兩個(gè)峰值那么靠后，轉(zhuǎn)捩的位置只能出現(xiàn)在第一個(gè)峰值處，后面兩個(gè)峰值很可能是流動(dòng)分離導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證此推斷，對各頻率下3處峰值處脈動(dòng)壓力做自相關(guān)函數(shù)分析，結(jié)果如圖6所示(以f=1 Hz為例進(jìn)行說明)。

圖6 峰值自相關(guān)函數(shù)圖

可以看出，自相關(guān)函數(shù)的波峰(最大峰值)出現(xiàn)在時(shí)間延遲為0時(shí)的藍(lán)色線條代表的RMS值第一峰值處，波谷(最小峰值)同樣地出現(xiàn)在藍(lán)色線條代表的RMS值第一峰值位置處，即第一峰值處的RMS值具有最大波峰和最小波谷的特性，這與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的特性吻合。因此，以上對于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中認(rèn)定第一峰值點(diǎn)即為轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的推斷是正確的。

另外，圖上可以看到，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中上、下行程所有頻率下第一峰值位置均出現(xiàn)在7號傳感器X=120 mm處，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置表現(xiàn)出與擺動(dòng)頻率無關(guān)的特性。同時(shí)，相較于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置X=180 mm前移，說明翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩位置相對于靜態(tài)有所提前。

轉(zhuǎn)捩點(diǎn)處的自相關(guān)波峰最大是由于轉(zhuǎn)捩過程中，表面脈動(dòng)壓力的脈動(dòng)情況非常激烈，加上轉(zhuǎn)捩時(shí)間短、區(qū)間窄，信號間的特性比較相似，均為轉(zhuǎn)捩時(shí)的特性，因此相關(guān)度很高，其自相關(guān)函數(shù)自然最大，即具有最大波峰；而對于轉(zhuǎn)捩點(diǎn)處為何自相關(guān)波谷最低，其中的機(jī)理及其系統(tǒng)認(rèn)識尚不清楚，因此，自相關(guān)函數(shù)和轉(zhuǎn)捩關(guān)系的探究問題仍需進(jìn)一步研究。

2.2.2 不同迎角動(dòng)態(tài)RMS分析

對各頻率下不同迎角的動(dòng)態(tài)RMS進(jìn)行對比分析(以f=1 Hz為例進(jìn)行說明)，結(jié)果如圖7～圖8所示。

圖7 上仰段不同迎角RMS值對比圖

圖8 下俯段不同迎角RMS值對比圖

可以看出，無論上仰、下俯行程，各迎角下脈動(dòng)壓力均方根值均出現(xiàn)3個(gè)峰值，轉(zhuǎn)捩位置(第一峰值)隨迎角增大均出現(xiàn)前移現(xiàn)象，第二、三峰值位置隨迎角增大無任何改變。

圖7 可以清楚看出轉(zhuǎn)捩位置隨迎角增大向前移動(dòng)的特征。迎角α=0°，1°，2°下轉(zhuǎn)捩位置出現(xiàn)在7號傳感器X=120 mm處；α=3°時(shí)轉(zhuǎn)捩位置稍有前移，大約在X=110 mm左右；α=4°時(shí)，轉(zhuǎn)捩位置明顯前移到6號傳感器X=75 mm處。

圖8下俯段的結(jié)果細(xì)節(jié)稍微有別于上仰段，但隨迎角的增大，轉(zhuǎn)捩位置同樣出現(xiàn)前移。具體的，α=0°，1°，2°，3°都均在7號傳感器X=120 mm處；α=4°時(shí)，轉(zhuǎn)捩位置前移到6號傳感器X=75 mm處。

因此，無論上仰、下俯段，均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)捩位置隨迎角增大而前移的特征，符合轉(zhuǎn)捩規(guī)律，說明靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中基于脈動(dòng)壓力均方根值判定轉(zhuǎn)捩的方法同樣適用于翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)再一次印證翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的RMS第一峰值即為轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的論述是正確的。

2.2.3 上下行程RMS對比分析

對各頻率下，不同迎角的上下行程的RMS進(jìn)行對比分析(以f=1 Hz，a=2°為例進(jìn)行說明)結(jié)果如圖9所示。

圖9 上下行程RMS對比圖

可以看到，上下行程的脈動(dòng)壓力RMS值變化趨勢完全相同，3個(gè)峰值均出現(xiàn)在相同位置。在第一峰值之前位置處，RMS值表現(xiàn)為上仰段大于下俯段，之后則表現(xiàn)出相反的趨勢，即下俯段RMS值大于上仰段。

3 結(jié)論

通過對翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩判定研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中基于脈動(dòng)壓力均方根判定轉(zhuǎn)捩的方法同樣適用于翼型動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)；

2)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力均方根值大于相同狀態(tài)下的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)值；

3)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中RMS值出現(xiàn)多個(gè)峰值，第一峰值具有明顯的轉(zhuǎn)捩特征，可以用來判定轉(zhuǎn)捩；

4)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)捩位置相對靜態(tài)有所提前。