于金革，馬占元，張 穎，楊希明，韓 超，許相輝

(1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院氣動研究與試驗四部，哈爾濱 150001；2.低速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室，哈爾濱 150001)

現(xiàn)代大型客機(jī)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性及可靠性，要求具有較高的氣動效率和較低的結(jié)構(gòu)重量，通常采用大展弦比機(jī)翼。在結(jié)構(gòu)材料上大量采用復(fù)合材料，使飛機(jī)機(jī)翼具有較大的柔性，因此飛機(jī)對陣風(fēng)響應(yīng)更加敏感。陣風(fēng)載荷，特別是垂直離散陣風(fēng)載荷，經(jīng)常成為飛行載荷最嚴(yán)重的情況，將導(dǎo)致機(jī)翼根部承受很大的動態(tài)結(jié)構(gòu)載荷增量，容易使機(jī)體產(chǎn)生疲勞破壞[1-2]。國際通用的民用飛機(jī)適航條例明確規(guī)定新型民用客機(jī)必須通過陣風(fēng)試驗才能交付使用。因此，在飛機(jī)設(shè)計階段開展陣風(fēng)響應(yīng)和陣風(fēng)減緩分析，并研究合理的控制方案以減緩陣風(fēng)載荷具有重大意義[3-4]。

風(fēng)洞試驗方式被行業(yè)用于獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)載荷響應(yīng)及開展陣風(fēng)載荷減緩技術(shù)研究，這就需要建設(shè)陣風(fēng)相關(guān)風(fēng)洞試驗的關(guān)鍵設(shè)備—陣風(fēng)發(fā)生器，并研究其陣風(fēng)流場特性，以便更好地開展陣風(fēng)相關(guān)試驗研究。

20 世紀(jì)60 年代開始，出現(xiàn)了各種形式的陣風(fēng)發(fā)生器。其中，在低速陣風(fēng)發(fā)生器領(lǐng)域，國外最具代表性的有俄羅斯中央空氣流體動力研究院T-104 低速風(fēng)洞[5]，其在開口試驗段出口處配置兩個擺動葉片，產(chǎn)生了簡諧式離散陣風(fēng)，而且為了提高葉片剛度，該風(fēng)洞采用了三根豎向鋼索將葉片分為三段。但由于鋼索自身具有彈性，對葉片的剛度提高的貢獻(xiàn)有限，還會引起葉片的彈性變形，從而導(dǎo)致了所產(chǎn)生的陣風(fēng)流場不均勻[6]。此外，發(fā)生器由立于試驗段兩側(cè)的框型梁架支撐，該支撐形式多適用于開口風(fēng)洞。在歐美國家，低速風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器則以高校的研究居多，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在2.85 m×2.85 m 風(fēng)洞中，設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動的2 葉片陣風(fēng)發(fā)生器[7]，發(fā)生器根據(jù)需要可實現(xiàn)縱向與橫向陣風(fēng)場的轉(zhuǎn)換。意大利米蘭理工學(xué)院在4 m×3.84 m 低速風(fēng)洞中設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動的6 葉片陣風(fēng)發(fā)生器[8]。美國伊利諾伊理工學(xué)院在其風(fēng)洞閉口試驗段建立了擺動葉片式發(fā)生器，利用伺服電動機(jī)驅(qū)動擺動葉片產(chǎn)生正弦曲線運(yùn)動[9]。國外科研機(jī)構(gòu)、航天公司及高校利用上述發(fā)生器開展了大量的陣風(fēng)相關(guān)試驗研究[5,10-13]。

在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)氣彈室在陣風(fēng)發(fā)生器研制及相關(guān)技術(shù)研究方面開展的較早，其在航天十一院3 m×3 m 風(fēng)洞研制了擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器和半模型支撐裝置，取得了較多的研究成果[14 - 17]。

目前，中國空氣動力研究與發(fā)展中心的梁鑒等[18]在4 m×3 m 風(fēng)洞中，研制了可產(chǎn)橫向和縱向陣風(fēng)的兩套發(fā)生器。金華等[19]在8 m×6 m 風(fēng)洞中，設(shè)計加工了一套陣風(fēng)發(fā)生器，并研制了全模支撐系統(tǒng)，也已開展多期試驗研究工作。

綜上所述，目前國內(nèi)外所建設(shè)的風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器多采用電機(jī)加直線連桿形式，較難實現(xiàn)葉片的獨立控制以及多頻率組合波形運(yùn)動。本文針對FL-51 風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器提出了一種流場模擬技術(shù)，該型風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器采用伺服液壓擺動缸單獨驅(qū)動形式，減少了傳動環(huán)節(jié)，且洞內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)少，所產(chǎn)生的流場品質(zhì)均勻。通過這種設(shè)置，能夠使得葉片運(yùn)動同時模擬多頻率、多擺角、多波形的組合波形運(yùn)動，這將為低速風(fēng)洞的陣風(fēng)試驗研究提供了一種新的模擬條件。

1 陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計

陣風(fēng)發(fā)生器總體方案如圖1 所示，其安裝在FL-51 風(fēng)洞閉口試驗段中，試驗段尺寸為4.5 m(寬)×3.5 m(高)。發(fā)生器的葉片為3 組，展長為3 m，弦長為0.4 m。

圖1 陣風(fēng)發(fā)生器總體方案示意圖Fig.1 Overall scheme of gust generator

1.1 氣動設(shè)計

陣風(fēng)發(fā)生器葉片截面形狀、展長、弦長、數(shù)量及間距等都是其性能指標(biāo)的影響參數(shù)，因此，發(fā)生器氣動設(shè)計是一個多參數(shù)優(yōu)化過程，本文將采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行氣動參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

1.1.1 計算方法

陣風(fēng)發(fā)生器的氣動優(yōu)化計算采用氣動院自研的ENSMB 軟件[20]進(jìn)行，數(shù)值求解三維可壓縮非定常N-S 方程，湍流模型選用kω-sst 兩方程模型[21-22]，空間方向采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，時間方向采用雙時間方法進(jìn)行離散。

首先，采用三維方法計算陣風(fēng)幅值沿葉片展向變化情況。計算條件為來流風(fēng)速V=40 m/s，葉片擺動頻率f=10 Hz，擺動角度 αm=10°。由圖2 可見，在沿風(fēng)洞軸向距葉片后緣3 m、4 m 及5 m，高度為1.75 m 的三個位置處，陣風(fēng)幅值沿展向一致性較好。因此，陣風(fēng)發(fā)生器的氣動設(shè)計中可以忽略洞壁效應(yīng)的影響，能夠?qū)⑷S計算模型簡化為二維模式。

圖2 不同位置陣風(fēng)幅值沿展向變化Fig.2 Comparison of gust amplitudes at different locations along the spanwise variation

為進(jìn)一步驗證二維計算模型的合理性，在風(fēng)洞軸向距葉片后緣4 m、展向距風(fēng)洞中心1 m、高度為1.75 m 點處，計算條件與圖1 中相同，開展了二維與三維計算模型相同位置陣風(fēng)幅值與波形對比。由圖3 可知，兩種方法得到的陣風(fēng)幅值差量較小，波形一致。而且，考慮三維模型的計算效率低，并對技術(shù)資源消耗較多，因此，在陣風(fēng)發(fā)生器的氣動設(shè)計時采用二維模型進(jìn)行計算。

圖3 相同位置陣風(fēng)幅值與波形對比Fig.3 Comparison of gust amplitude and waveform at the same location

計算采用粘性結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖4 所示，葉片周圍附面層第一層網(wǎng)格高度為葉片弦長的10-5。為了更好地捕捉葉片后方陣風(fēng)場，對葉片后方重點關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格沿流向進(jìn)行局部加密，計算過程中將計算網(wǎng)格沿展向進(jìn)行單位拉伸。

圖4 計算網(wǎng)格Fig.4 Computational grid

邊界條件設(shè)置為：葉片前方及上下邊界設(shè)為入口邊界條件，葉片后方邊界設(shè)為出口邊界條件，左右側(cè)面設(shè)為對稱面邊界條件，陣風(fēng)發(fā)生器葉片設(shè)置為粘性無滑移壁面。葉片繞1/4 位置按正弦規(guī)律做周期性運(yùn)動，如式(1)所示：

式中： αm為葉片的擺動角度；f為葉片的擺動頻率。

葉片的運(yùn)動通過動網(wǎng)格方式實現(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。

1.1.2 發(fā)生器參數(shù)選型

采用上述計算方法，對陣風(fēng)發(fā)生器葉片截面形狀、展長、數(shù)量及間距等參數(shù)進(jìn)行計算并優(yōu)化分析，確定了陣風(fēng)發(fā)生器的參數(shù)。

國內(nèi)外陣風(fēng)發(fā)生器的翼型多是NACA0012～NACA0018 系列翼型。本文選用的NACA0015 翼型具有更大失速迎角，有利于葉片大擺角下的氣流穩(wěn)定。表1 給出了NACA0015 與NACA0018 在來流風(fēng)速為40 m/s，擺動頻率5 Hz，不同擺角下的陣風(fēng)幅值對比結(jié)果，表明不同翼型對陣風(fēng)幅值的影響很小。對于葉片展長選擇，根據(jù)葉片加工要求、安裝難度及對驅(qū)動系統(tǒng)需求等因素，葉片展長取為3 m，也滿足FL-51 風(fēng)洞試驗全模型翼展的要求。

表1 兩種翼型陣風(fēng)幅值對比Table 1 Comparison of gust amplitudes of two airfoils

1.1.3 葉片個數(shù)、弦長及間距的選取

開展了2 組與3 組葉片對比效果研究，在表1的工況下，與2 組葉片產(chǎn)生的陣風(fēng)幅值相比，3 組葉片的幅值都提高了21%以上。根據(jù)陣風(fēng)流場指標(biāo)要求及全模型沉浮運(yùn)動高度對陣風(fēng)流場區(qū)域的需求，選擇發(fā)生器葉片數(shù)量為3 組。

對于葉片弦長的選取，在展長確定后，葉片弦長越大，陣風(fēng)幅值越高。雖然，葉片弦長越大陣風(fēng)發(fā)生器的性能越好，但考慮到實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，弦長越長，相應(yīng)的慣性力則成指數(shù)級增長。慣性力是與驅(qū)動系統(tǒng)能力密切相關(guān)，慣性力載荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣動載荷，所以弦長并不是越大越好。因此，本文折中選取葉片弦長為0.4 m。至于葉片間距的選取，首先要考慮間距對幅值的影響(見表2)，由表2 中數(shù)據(jù)可見，在間距為0.5 m 時氣動效果較好，同時兼顧發(fā)生器驅(qū)動裝置安裝空間需求，發(fā)生器的葉片間距設(shè)計為0.57 m。

表2 葉片間距對陣風(fēng)幅值的影響Table 2 Effect of vane spacing on gust amplitude

1.2 結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計

陣風(fēng)發(fā)生器主要由液壓擺動缸、擺動缸支座、葉片和葉片支撐等組成，如圖5 所示。發(fā)生器的傳動形式為：伺服液壓擺動缸—彈性聯(lián)軸器—葉片驅(qū)動端轉(zhuǎn)軸—葉片支撐的調(diào)心軸承—葉片從動端轉(zhuǎn)軸。為實現(xiàn)葉片一次運(yùn)動中設(shè)置不同的擺動參數(shù)，采取每組葉片獨立驅(qū)動的方式，能夠降低發(fā)生器的工作頻率與傳動結(jié)構(gòu)振動頻率的重疊效應(yīng)。

圖5 陣風(fēng)發(fā)生器總體方案Fig.5 Overall scheme of gust generator

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉片設(shè)計為如圖6 所示的單翼型結(jié)構(gòu)，主要包括炭梁、蒙皮、填充泡沫及預(yù)埋接頭等，葉片兩端預(yù)埋有金屬連接件與兩端分別對接。為保證葉片的剛度和強(qiáng)度，同時降低葉片加工難度，將葉片等分為兩段，每段葉片與葉片支撐通過調(diào)心軸承相連。

圖6 葉片結(jié)構(gòu)Fig.6 Vane structure

發(fā)生器的每組葉片可簡化為三支點梁結(jié)構(gòu)，葉片兩端由風(fēng)洞支柱支撐，中間部位由葉片支撐支持(見圖5)。葉片載荷通過中間連接件傳遞到葉片支撐，因此，該部件也是系統(tǒng)的危險點。應(yīng)力計算工況為來流風(fēng)速V=40 m/s，葉片擺動頻率為10 Hz，擺動角度為15°。計算結(jié)果表明：最大等效應(yīng)力為440.98 MPa，出現(xiàn)在中間連接件的截面改變處(見圖7)，強(qiáng)度校核時安全系數(shù)取為2，采用材料為300M 合金鋼(許用應(yīng)力1260 MPa)，滿足要求。

圖7 中間連接件應(yīng)力云圖Fig.7 Intermediate connector stress contour

葉片連接轉(zhuǎn)軸一端連接葉片，另一端連接液壓馬達(dá)，是陣風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)的重要承力和傳力部件。該部件材料選擇300M 合金鋼，并由整體加工而成。根據(jù)實際工況，設(shè)置如圖8 所示的邊界條件。A 為試驗中轉(zhuǎn)軸承受葉片重力和豎向氣動載荷的動態(tài)合力，值為13000 N (其中動態(tài)系數(shù)預(yù)留為2，安全系數(shù)為2.5)；B 為試驗中轉(zhuǎn)軸承受的最大動態(tài)扭矩為1100 N·m (葉片和傳動軸的總最大慣性負(fù)載為346 N·m，葉片受到的最大氣動扭矩約為300 N·m，還需考慮摩擦損失及預(yù)留量)；C 設(shè)置為固定邊界條件。通過強(qiáng)度分析，得到結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為69.2 MPa，遠(yuǎn)小于選用材料的許用應(yīng)力。

1.2.2 驅(qū)動與控制系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)陣風(fēng)發(fā)生器的運(yùn)動工況為擺動角度15°，擺動頻率為10 Hz，葉片最大角加速度為59 217°/s2，驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)輸出扭矩為1100 N·m。顯然，現(xiàn)有電機(jī)難以滿足角加速度和扭矩的要求。本文將采用液壓伺服擺動缸進(jìn)行驅(qū)動，該系統(tǒng)主要包括如圖9 所示的大流量伺服閥、伺服擺動缸及運(yùn)動控制器。

2 裝置測試與陣風(fēng)場校測

2.1 組合波形運(yùn)動測試

本文所設(shè)計的發(fā)生器可實現(xiàn)不同頻率的正弦波、三角波及隨機(jī)波等多種波形組合運(yùn)動(見圖10)，圖10 中數(shù)據(jù)為地面無風(fēng)狀態(tài)測試結(jié)果，表明本文研制的發(fā)生器可模擬不同擾動形式氣流。

圖10 葉片組合運(yùn)動波形圖Fig.10 Waveform of vanes combination motion

2.2 發(fā)生器性能指標(biāo)校測

性能指標(biāo)校測試驗采用丹麥的Streamline Pro多通道熱線風(fēng)速儀。本文開展了葉片正弦運(yùn)動的流場校測試驗，校測時將熱線探針通過校測耙連接到校測機(jī)構(gòu)上(見圖11)。本節(jié)中的試驗來流風(fēng)速無特殊指出均為40 m/s，主要測點坐標(biāo)見表3。

表3 主要校點坐標(biāo)Table 3 Main calibration point coordinates

圖11 發(fā)生器與流場校測機(jī)構(gòu)Fig.11 Generator and flow field calibration mechanism

2.2.1 陣風(fēng)流場品質(zhì)測量

校測位置為表3 中的1#，試驗條件為葉片擺角8°，擺動頻率8 Hz。從圖12 和圖13 可看出，該點距離發(fā)生器葉片后緣較遠(yuǎn)，但陣風(fēng)流場仍然很規(guī)律、主頻很突出，說明所設(shè)計的陣風(fēng)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦流場較均勻。

圖12 葉片擺動方向時域曲線Fig.12 Time domain curve of vane swing direction

圖13 葉片擺動方向頻域曲線Fig.13 Frequency domain curve of vane swing direction

2.2.2 陣風(fēng)流場包線測量

圖14 為校測位置為表3 中的2#陣風(fēng)流場包線。隨著葉片擺動頻率和擺動角度的增大，陣風(fēng)流場區(qū)域內(nèi)的陣風(fēng)幅值逐漸增大。在擺角為2°時，最大擺動頻率為15 Hz；在擺角15°時，最大擺動頻率為10 Hz，此時陣風(fēng)實測幅值為8.5 m·s-1，而計算結(jié)果為8.6 m·s-1，陣風(fēng)幅值差量為1.2%，這也驗證了本文所采用的數(shù)值模擬方法是有效的。

圖14 陣風(fēng)流場包線Fig.14 Envelope of the gust flow field

2.2.3 組合頻率運(yùn)動陣風(fēng)流場測量

圖15 和圖16 分別為組合頻率運(yùn)動的時域及頻域圖。校測位置為表2 中的2#，試驗條件為來流風(fēng)速為20 m/s，3 組葉片擺動頻率由下至上分別給定為5 Hz、10 Hz 和15 Hz，葉片擺角為2°。在校測時，3 組葉片同時啟動。由圖15 和圖16 可見，葉片組合頻率運(yùn)動產(chǎn)生的陣風(fēng)場規(guī)律明顯，陣風(fēng)主頻與設(shè)定的主頻一致，結(jié)果表明所設(shè)計的發(fā)生器可模擬多頻率組合的陣風(fēng)波形。

圖15 組合頻率運(yùn)動陣風(fēng)流場時域圖Fig.15 Time domain diagram of vanes combined motion

圖16 組合頻率運(yùn)動陣風(fēng)流場頻域圖Fig.16 Frequency domain diagram of vanes combined motion

3 結(jié)論

通過對FL-51 風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器的流場模擬與測試研究，可得出以下主要的結(jié)論：

(1)通過本文提出的方法設(shè)計的FL-51 風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器可提供所需要的陣風(fēng)場模擬技術(shù)，采用液壓伺服擺動缸單獨驅(qū)動葉片的獨特設(shè)計方式，較大幅度降低了陣風(fēng)發(fā)生器與支撐結(jié)構(gòu)的耦合振動。

(2)研制的陣風(fēng)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦流場較均勻，在來流風(fēng)速40 m/s 下，發(fā)生器葉片擺角為2°時，最大擺動頻率可達(dá)15 Hz；在擺角15°時，最大擺動頻率可達(dá)10 Hz，此時的陣風(fēng)幅值為8.5 m·s-1。

(3)設(shè)計的陣風(fēng)發(fā)生器葉片擺動頻率能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的工作頻帶。發(fā)生器可以模擬一次工作中多種頻率成分、不同擺角以及多種波形的復(fù)雜陣風(fēng)場，更好地滿足了型號試驗需求。