張穎，劉南

中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院 高速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110034

0 引 言

現(xiàn)代飛機(jī)，如軍用和民用運(yùn)輸機(jī)、高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)等，為了追求較高的氣動(dòng)效率和較低的結(jié)構(gòu)重量，通常采用大展弦比機(jī)翼，在結(jié)構(gòu)材料上大量使用復(fù)合材料，具有較大的柔性，這使得飛機(jī)在跨聲速階段的陣風(fēng)問(wèn)題凸顯。陣風(fēng)載荷，特別是垂直離散陣風(fēng)載荷，有可能成為飛行載荷中最嚴(yán)重的載荷。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)陣風(fēng)載荷并采取一定措施進(jìn)行減緩控制通常是飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要工作[1-5]。

陣風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)是進(jìn)行飛行器陣風(fēng)響應(yīng)特性和陣風(fēng)載荷減緩控制技術(shù)研究的重要手段之一，而陣風(fēng)發(fā)生器是開(kāi)展陣風(fēng)試驗(yàn)的重要設(shè)施。在高速陣風(fēng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和研制方面，具有代表性的英國(guó)ARA 和美國(guó)NASA 均在其大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞上配備了陣風(fēng)發(fā)生器，如英國(guó)ARA TWT 風(fēng)洞的尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器[4]以及美國(guó)TDT 風(fēng)洞的擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器[5]。尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)慣性載荷，控制精度高，可以產(chǎn)生頻率較寬和形式多樣的陣風(fēng)，但由于其尾緣射流通過(guò)大規(guī)模電磁閥進(jìn)行控制，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)龐大，代價(jià)高，實(shí)現(xiàn)難度較大。擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制形式相對(duì)簡(jiǎn)單，代價(jià)較低，可以通過(guò)葉片的機(jī)械擺動(dòng)在葉片下游產(chǎn)生正弦周期性變化的陣風(fēng)速度場(chǎng)。利用該陣風(fēng)發(fā)生器，TDT 風(fēng)洞針對(duì)多種型號(hào)飛機(jī)（如B-52E 飛機(jī)、C-5A 飛機(jī)、傳感器飛機(jī)以及超聲速民機(jī)等）開(kāi)展了大量的陣風(fēng)響應(yīng)及減緩控制研究工作，為飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中陣風(fēng)響應(yīng)和載荷減緩控制律設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)[5-10]。

國(guó)內(nèi)在陣風(fēng)試驗(yàn)技術(shù)研究方面起步相對(duì)較晚，且大多數(shù)研究局限于低速領(lǐng)域[11-14]，大型高速風(fēng)洞沒(méi)有配備陣風(fēng)發(fā)生器，尚不具備陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)芰Γ咚傺埠诫A段的陣風(fēng)響應(yīng)對(duì)飛行安全影響極大，因此有必要開(kāi)展高速風(fēng)洞陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)。

陣風(fēng)發(fā)生器作為陣風(fēng)試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于：1）陣風(fēng)發(fā)生器形式選擇；2）陣風(fēng)發(fā)生器氣動(dòng)設(shè)計(jì)。影響陣風(fēng)發(fā)生器氣動(dòng)性能的參數(shù)眾多，如葉片截面形狀、弦長(zhǎng)、展長(zhǎng)、數(shù)量、間距等，需要進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化迭代以使其性能達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)還要兼顧葉片的剛、強(qiáng)度要求。本文在綜合考慮國(guó)外高速風(fēng)洞2 種常用形式陣風(fēng)發(fā)生器優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用自研ENSMB 流場(chǎng)計(jì)算軟件對(duì)擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索性研究。依托中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院0.6 m 連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞（以下簡(jiǎn)稱(chēng)FL-61 風(fēng)洞）建立了一套擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器，并進(jìn)行了陣風(fēng)流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)，分析了該陣風(fēng)發(fā)生器下游陣風(fēng)速度場(chǎng)形成機(jī)理及分布特性，重點(diǎn)開(kāi)展了葉片擺動(dòng)頻率和最大擺動(dòng)幅值等參數(shù)對(duì)葉片下游陣風(fēng)速度幅值影響規(guī)律研究。

1 擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器

擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器采用單葉片等直機(jī)翼形式，葉片垂直安裝于風(fēng)洞噴管入口的上壁面（圖1）。葉片截面形狀為NACA0012 翼型，弦長(zhǎng)0.2 m，展長(zhǎng)0.2 m（圖2）。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)陣風(fēng)發(fā)生器葉片繞1/4 弦線做周期性正弦運(yùn)動(dòng)（圖3），進(jìn)而在葉片下游產(chǎn)生正弦形式的周期性陣風(fēng)速度場(chǎng)。葉片能實(shí)現(xiàn)的擺動(dòng)頻率f 和最大擺動(dòng)幅值A(chǔ)max范圍分別為f=0～20 Hz，Amax=?20°～20°。數(shù)值計(jì)算模型包括風(fēng)洞收縮段、噴管段、試驗(yàn)段以及陣風(fēng)發(fā)生器葉片，如圖4 所示。

圖1 陣風(fēng)發(fā)生器在風(fēng)洞中的安裝示意圖Fig. 1 Gust generator mounted in the tunnel

圖2 陣風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of gust generator

圖3 陣風(fēng)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 3 Driven mechanism of gust generator

圖4 計(jì)算模型Fig. 4 Computational model

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化N–S 網(wǎng)格進(jìn)行，網(wǎng)格單元總數(shù)約407 萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約412 萬(wàn)。葉片周?chē)吔鐚拥谝粚泳W(wǎng)格高度為葉片弦長(zhǎng)的十萬(wàn)分之一。為了更好地捕捉葉片后方陣風(fēng)場(chǎng)，對(duì)葉片后方重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格沿流向進(jìn)行了局部加密，如圖5 所示。圖中：x 軸沿氣流方向，向后為正；y 軸沿葉片展長(zhǎng)方向，向上為正；z 軸符合右手坐標(biāo)系定則；坐標(biāo)原點(diǎn)為噴管入口端的風(fēng)洞中心點(diǎn)。

圖5 計(jì)算網(wǎng)格Fig. 5 Computational grid

2.2 計(jì)算方法

本文采用中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院自研的ENSMB 流場(chǎng)計(jì)算軟件[15-16]求解三維可壓縮非定常N–S 方程，湍流模型選用k–ωSST 模型，空間方向采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，時(shí)間方向采用雙時(shí)間方法進(jìn)行離散，時(shí)間步長(zhǎng)的選取與葉片擺動(dòng)頻率相關(guān)，一個(gè)周期T 內(nèi)進(jìn)行1000 次外迭代，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為5 個(gè)周期。

圖6 為來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°工況下，采用不同內(nèi)迭代步計(jì)算得到的陣風(fēng)速度特性對(duì)比。圖中t 為計(jì)算時(shí)間，v 為陣風(fēng)速度，I 為內(nèi)迭代步，vgust為陣風(fēng)速度幅值。陣風(fēng)速度幅值vgust的定義如下：

圖6 不同內(nèi)迭代步下陣風(fēng)速度特性對(duì)比Fig. 6 Comparison of gust velocity characteristics with different iteration steps

式中，vmax和vmin分別為一個(gè)周期內(nèi)陣風(fēng)速度的峰值和谷值。從圖中可以看出，在時(shí)間步長(zhǎng)保持一致的條件下，不同內(nèi)迭代步計(jì)算得到的陣風(fēng)速度幅值幾乎無(wú)差異。考慮計(jì)算效率問(wèn)題，本文的內(nèi)迭代步設(shè)置為10 步。

計(jì)算時(shí)的邊界條件設(shè)置如下：風(fēng)洞入口設(shè)置為總溫總壓邊界條件；風(fēng)洞出口設(shè)置為壓力出口邊界條件；風(fēng)洞壁面和陣風(fēng)發(fā)生器葉片均設(shè)置為黏性無(wú)滑移壁面。陣風(fēng)發(fā)生器葉片繞1/4 弦線位置按正弦規(guī)律做周期性運(yùn)動(dòng)，其方程為：

式中，A（t）為葉片的瞬態(tài)擺角。

葉片的運(yùn)動(dòng)通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格方式實(shí)現(xiàn)，為了提高網(wǎng)格的變形效率和質(zhì)量，采用Radial Basis Function（RBF）和Linear Transfinite Interpolation （TFI）混合方式進(jìn)行。

3 結(jié)果及分析

本文重點(diǎn)開(kāi)展了葉片擺動(dòng)頻率和最大擺動(dòng)幅值對(duì)葉片下游陣風(fēng)速度幅值的影響規(guī)律研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算狀態(tài)設(shè)置為Ma=0.5，Amax=2°～18°，f=2～20 Hz。

為便于分析葉片后方陣風(fēng)場(chǎng)，在葉片后方選取124 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（沿x 軸布置4 列，沿y 軸布置31 行），具體位置如圖7 所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x 軸坐標(biāo)分別為x=2.75 、3.55 、4.25 、4.75 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的y 軸坐標(biāo)位于–0.30～0.30 m 之間，間隔0.02 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)記為Pij，下標(biāo)i 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的列號(hào)，下標(biāo)j 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的行號(hào)。為與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，本文僅對(duì)圖7 中第二列（x=3.55 m）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處的陣風(fēng)速度特性進(jìn)行分析。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig. 7 Monitor point

3.1 陣風(fēng)速度特性分析

對(duì)Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°典型工況進(jìn)行分析。圖8 給出了該工況一個(gè)周期內(nèi)垂直方向的陣風(fēng)速度云圖。圖9 給出了該工況葉片下游陣風(fēng)速度特性曲線。圖9（a）為葉片下游某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風(fēng)速度的時(shí)間歷程曲線。圖9（b）為陣風(fēng)速度幅值沿葉片展向分布曲線，其中虛線為葉片所在位置。從圖9 中可以看出，葉片的周期性正弦擺動(dòng)使得在其下游產(chǎn)生正弦周期性變化陣風(fēng)速度場(chǎng)，陣風(fēng)速度場(chǎng)頻率與葉片擺動(dòng)頻率一致。結(jié)合圖8 可以看出，葉片尾渦是葉片下游陣風(fēng)速度產(chǎn)生的原因之一，陣風(fēng)速度幅值沿葉片展長(zhǎng)方向存在較大波動(dòng)。圖9（c）為不同流向位置陣風(fēng)速度幅值對(duì)比，從圖中可以看出，隨著x 的增大，陣風(fēng)速度幅值呈減小趨勢(shì)。

圖8 一個(gè)周期內(nèi)陣風(fēng)速度云圖Fig. 8 Contours of computed amplitude of vertical gust velocity

圖9 陣風(fēng)速度特性曲線Fig. 9 Characteristics of gust field

3.2 參數(shù)影響分析

圖10 給出了Ma=0.5 時(shí)，葉片下游某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風(fēng)速度幅值與葉片擺動(dòng)頻率和最大擺動(dòng)幅值的關(guān)系曲線。從圖10（a）中可以看出，同一葉片擺動(dòng)頻率（f=4 Hz）下，陣風(fēng)速度幅值隨葉片最大擺動(dòng)幅值的增大呈先增大然后基本不變的趨勢(shì)，當(dāng)Amax=10°時(shí)（即葉片失速迎角附近），陣風(fēng)速度幅值達(dá)到最大，10°之后陣風(fēng)速度幅值基本保持不變，這可能是葉片最大擺動(dòng)幅值增大時(shí)葉片失速所致。從圖10（b）和（c）中可以看出，同一葉片最大擺動(dòng)幅值（Amax=6°）下，葉片擺動(dòng)頻率改變導(dǎo)致葉片下游陣風(fēng)速度頻率改變，而陣風(fēng)速度幅值隨葉片擺動(dòng)頻率變化很微弱，呈略微減小趨勢(shì)，擺動(dòng)頻率f 從2 Hz 增大至20 Hz，陣風(fēng)速度幅值僅減小3%左右。

圖10 不同擺動(dòng)頻率和最大擺動(dòng)幅值下的陣風(fēng)速度特性曲線Fig. 10 Characteristics of gust field under different oscillating frequency and maximum oscillating amplitude

3.3 計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比分析

利用該陣風(fēng)發(fā)生器，在FL-61 風(fēng)洞進(jìn)行了陣風(fēng)流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)熱線叉絲探頭對(duì)葉片下游中心點(diǎn)處（x=3.55 m）的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。

圖11 給 出 了Ma=0.5，Amax分 別 為6°和10°、f 分別為2 和4 Hz 這4 種工況下，計(jì)算和試驗(yàn)所得的陣風(fēng)速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比。從圖中可以看出，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，吻合較好，試驗(yàn)測(cè)得陣風(fēng)速度幅值略微偏大。

圖11 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 11 Comparisons of calculated gust velocity with experimental data

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)FL-61 風(fēng)洞擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器陣風(fēng)速度特性進(jìn)行了研究，并在風(fēng)洞中開(kāi)展了陣風(fēng)流場(chǎng)校測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，主要結(jié)論如下：

1）本文的擺動(dòng)葉片式陣風(fēng)發(fā)生器能夠在葉片下游產(chǎn)生周期性變化的陣風(fēng)場(chǎng)，葉片擺動(dòng)頻率范圍為0～20 Hz。

2）葉片最大擺動(dòng)幅值是影響陣風(fēng)速度幅值的一個(gè)主要因素。隨著葉片最大擺動(dòng)幅值的增大，陣風(fēng)速度幅值呈先增大趨勢(shì)，在葉片失速迎角附近（即最大擺動(dòng)幅值為10°時(shí)）陣風(fēng)速度幅值達(dá)到最大，之后無(wú)明顯變化。

3）葉片擺動(dòng)頻率僅影響葉片下游陣風(fēng)速度頻率，對(duì)陣風(fēng)速度幅值的影響較為微弱，呈略微減小趨勢(shì)，葉片擺動(dòng)頻率從2 Hz 增大至20 Hz，陣風(fēng)速度幅值減小僅3%左右。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的陣風(fēng)發(fā)生器可以在葉片下游產(chǎn)生較為理想的陣風(fēng)場(chǎng)，陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計(jì)合理。后續(xù)將進(jìn)行更多來(lái)流馬赫數(shù)、葉片擺動(dòng)頻率和最大擺動(dòng)幅值下的陣風(fēng)速度特性研究。