利用M1.4噴管和開孔壁試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)低超聲速流場實(shí)驗(yàn)研究

劉 琴 ,陳志強(qiáng) ,申 江,符 澄,王海峰

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

飛行器在跨聲速范圍(M=0.8～1.4)飛行時(shí),其氣動特性十分復(fù)雜,對試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)(如Ma數(shù),Re數(shù))和試驗(yàn)條件都十分敏感,2.4m×2.4m跨聲速風(fēng)洞作為中國唯一的2m量級的大型地面模擬試驗(yàn)設(shè)備,其試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為M=0.3～1.2,不具備低超聲速的試驗(yàn)?zāi)芰?無法滿足飛行器在研制過程中對該速度范圍的試驗(yàn)需求,嚴(yán)重制約了2.4m×2.4m風(fēng)洞在飛行器研制中的作用發(fā)揮,因此,非常有必要拓展2.4m×2.4m風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍,使其具備M1.4的低超聲速試驗(yàn)?zāi)芰?以滿足未來先進(jìn)飛行器跨、超聲速氣動特性精細(xì)化試驗(yàn)與分析的需求。

根據(jù)2.4m×2.4m風(fēng)洞結(jié)構(gòu)狀態(tài),考慮通過新增設(shè)M1.4噴管與現(xiàn)有的開孔壁試驗(yàn)段配套使用的方式來實(shí)現(xiàn)低超聲速流場。目前,國內(nèi)在該方面尚未進(jìn)行過較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究工作,因此,為了研究M1.4噴管和開孔壁試驗(yàn)段組合狀態(tài)下能否實(shí)現(xiàn)低超聲速流場、所建立的低超聲速流場品質(zhì)能否滿足試驗(yàn)需求,以及風(fēng)洞的開車參數(shù)和洞體條件對流場的影響等內(nèi)容,在2.4m×2.4m風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞(FL-26y)上開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究不僅為2.4m×2.4m風(fēng)洞增設(shè)M1.4噴管使其具備M1.4的低超聲速試驗(yàn)?zāi)芰μ峁┝思夹g(shù)支持,同時(shí)也為該風(fēng)洞在下一階段正式開展M1.4流場調(diào)試提供了可供參考的調(diào)試參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

FL-26y是一座由多噴嘴引射器驅(qū)動的、回流式的跨聲速風(fēng)洞,是2.4m×2.4m引射式跨聲速風(fēng)洞按1/10縮比建造的模型風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸為0.24m×0.2m,長0.675m,試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為M=0.3～1.2(M1.4、M1.8)。該風(fēng)洞的設(shè)計(jì)為“積木式”的,其試驗(yàn)段、支架段、柵指二喉道段、第一拐角段、排氣段、主引射器和混合室、第三拐角段、消聲器、第四拐角段、穩(wěn)定段和噴管段均為可拆卸部段,以便方便地安裝各種實(shí)驗(yàn)件。風(fēng)洞氣動輪廓圖見圖1。

圖1 FL-26y風(fēng)洞Fig.1 FL-26y wind tunnel

該風(fēng)洞試驗(yàn)段配置有一套實(shí)壁板和兩套孔壁板(壁板A和壁板B),通過壁板的更換,風(fēng)洞試驗(yàn)段可以是四壁開孔試驗(yàn)段、上下壁為孔壁左右壁為實(shí)壁或四壁均為實(shí)壁等不同開孔率的試驗(yàn)段。壁板A為60°的斜孔壁,孔徑為 3mm,上下壁開斜孔率為4.1%。左右孔壁上設(shè)置有長270mm寬120mm的長圓孔觀察窗,其中一側(cè)壁還設(shè)有100mm的轉(zhuǎn)窗,左右側(cè)壁開孔率為1.8%,見圖2(a)。壁板B為60°的斜孔壁和槽壁組合壁板,斜孔孔徑為3mm,上下壁開孔率為7.5%。左右側(cè)壁的開孔率為4.3%孔壁+12%的槽壁,見圖2(b)。

風(fēng)洞試驗(yàn)段左右壁平行,上下壁角度可調(diào),調(diào)節(jié)范圍為-0.5°～+1°。模型支架段上下及左右壁板均可調(diào)節(jié),在試驗(yàn)段出口構(gòu)成試驗(yàn)段主流引射縫氣流通道形成主流引射方式。上下調(diào)節(jié)縫的最大開度可以調(diào)到 24mm,左右調(diào)節(jié)縫的最大開度可以調(diào)到40mm。

實(shí)驗(yàn)所使用的主要測試儀器為PSI公司的9116型壓力掃描閥,量程±1.5×105Pa,精度0.05%。

圖2 開孔壁板實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of perforated wall

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用新設(shè)計(jì)加工的M1.4噴管的實(shí)驗(yàn)件,在固定風(fēng)洞主引射器參數(shù)、柵指位置、主排氣閥和輔排氣閥開度的情況下,通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓p0、輔引集氣室壓力 p′0(即駐室抽氣量)等開車參數(shù)和擴(kuò)開角 α、主流引射縫開度h、開孔壁開孔率等洞體條件,測量試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布,計(jì)算出試驗(yàn)段模型區(qū)(距試驗(yàn)段入口195～495mm)的馬赫數(shù)均方根偏差σM,得出不同參數(shù)對試驗(yàn)段流場的影響規(guī)律,驗(yàn)證所得到的低超聲速流場能否滿足實(shí)驗(yàn)需求,并找出M1.4時(shí)試驗(yàn)段流場最優(yōu)狀態(tài)下的開車參數(shù)和洞體條件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在風(fēng)洞洞體條件為：主引射器面積比為0.055、引射馬赫數(shù)為2.0、噴嘴數(shù)量8個(gè);柵指零位;主排氣閥全開;輔排氣閥全開,試驗(yàn)段壁板為壁板A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%);主流引射縫開度為25mm;擴(kuò)開角為0°時(shí),在穩(wěn)定段總壓分別為 p0=1.3×105Pa、1.4×105Pa、1.5×105Pa、1.6×105Pa,輔引集 氣 室 壓 力分別為 p′0=0Pa、6.9 ×105Pa、8.2 ×105Pa、9.6 ×105Pa、10.6 ×105Pa、11.5×105Pa(所對應(yīng)的駐室抽氣量分別為0.5%、0.8%、1.7%、2.8%和3.5%)的各種組合情況下測量了駐室參考點(diǎn)馬赫數(shù),測量結(jié)果見表1。

根據(jù)測量結(jié)果可以看出在穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa,輔引集氣室壓力大于10.6×105Pa時(shí),或穩(wěn)定段總壓為1.6×105Pa,輔引集氣室壓力大于8.2×105Pa時(shí),試驗(yàn)段才能得到M1.4的低超聲速流場。

表1 不同開車參數(shù)下駐室參考點(diǎn)馬赫數(shù)Table 1 Mach number in the plenum chamber of different operation parameters

2.1 開車參數(shù)研究實(shí)驗(yàn)

圖3為穩(wěn)定段總壓為 1.5×105Pa和 1.6×105Pa時(shí),不同駐室抽氣量下試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布曲線。

圖3 不同駐室抽氣量下試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布曲線Fig.3 Axial Mach number distribution curves for different evacuation flow from the plenum chamber

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在洞體條件相同的情況下,試驗(yàn)段流場均勻性是由穩(wěn)定段總壓和駐室抽氣量共同影響的,兩者需協(xié)調(diào)組合才能得到最佳的流場。在相同穩(wěn)定段總壓下,隨著駐室抽氣量增加,試驗(yàn)段流場品質(zhì)會有所改善。比較穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa和1.6×105Pa兩種情況下的流場,可見其最佳流場的馬赫數(shù)均方根偏差相差不大,但是穩(wěn)定段總壓為1.6×105Pa時(shí),風(fēng)洞的耗氣量要大很多,因此,綜合考慮各方面因素還是穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa時(shí)開車參數(shù)最優(yōu)。

2.2 洞體條件研究實(shí)驗(yàn)

圖4為不同擴(kuò)開角時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)的對比曲線。可以得出：不同的擴(kuò)開角對試驗(yàn)段流場均勻性有一定的影響。在風(fēng)洞運(yùn)行方式為主流引射+駐室抽氣方式時(shí),試驗(yàn)段的擴(kuò)開角越小流場的均勻性越好。在本實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)開角為0°時(shí)試驗(yàn)段流場優(yōu)于擴(kuò)開角+0.3°和+0.5°時(shí)的試驗(yàn)段流場。

圖5為不同引射縫開度時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)的對比曲線。由圖可以得出：隨著引射縫開度的增大,試驗(yàn)段流場的均勻性改變不大。在主流引射縫開度為0、14和25mm時(shí),試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差變化很小,可見在試驗(yàn)段有駐室抽氣的情況下,主流引射縫開度對試驗(yàn)段流場均勻性的影響是很小的。

圖4 不同擴(kuò)開角時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.4 Axial Mach number distribution curves for different diffuser angle in the test section

圖5 不同引射縫開度時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.5 Axial Mach number distribution curves for different open width of the mainstream ejected slot

圖6為不同壁板開孔率時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)的對比曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在試驗(yàn)段上下壁為貼一半孔的壁板B(壁開孔率3.75%),左右壁為實(shí)壁時(shí),試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0179;在試驗(yàn)段采用壁板 A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%)時(shí),試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0072;在試驗(yàn)段上下壁為壁板B(壁開孔率7.5%),左右壁為實(shí)壁時(shí),試驗(yàn)段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0171。可見,不同壁板開孔率對試驗(yàn)段流場的均勻性影響比較明顯,根據(jù)現(xiàn)有條件可以得出試驗(yàn)段壁板的開孔率太小或太大都會給試驗(yàn)段流場帶來不好的影響,使流場的均勻性變差。

圖6 不同壁板開孔率時(shí)試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.6 Axial Mach number distribution curves for different porosity in the perforated wall

表2匯總了在穩(wěn)定段總壓p0=1.5×105Pa,輔引集氣室壓力p′0=11.5×105Pa的開車參數(shù)時(shí)不同洞體條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由表中數(shù)據(jù)可見,在各種組合情況下,擴(kuò)開角為0°,主流引射縫開度為25mm,試驗(yàn)段壁板為壁板A時(shí),所建立的 M=1.4的流場最優(yōu),其馬赫數(shù)均方根偏差σM=0.0072,能夠滿足國軍標(biāo)合格指標(biāo)的要求。

表2 不同組合參數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of different combined parameters

3 結(jié) 論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過M1.4噴管和開孔壁試驗(yàn)段組合,建立起M1.4的低超聲速流場,且流場品質(zhì)能夠滿足國軍標(biāo)合格指標(biāo)的要求;

(2)駐室抽氣量對試驗(yàn)段流場均勻性有一定的影響,在穩(wěn)定段總壓相同的情況下,隨著駐室抽氣量的增加試驗(yàn)段流場會有所改善;

(3)擴(kuò)開角對試驗(yàn)段流場均勻性有較為明顯的影響,在風(fēng)洞運(yùn)行方式為“主流引射+駐室抽氣”方式時(shí),試驗(yàn)段的擴(kuò)開角越小流場的均勻性越好;

(4)主流引射縫開度對試驗(yàn)段流場影響較小;

(5)試驗(yàn)段壁板的開孔率對試驗(yàn)段流場的均勻性影響較大,選擇適當(dāng)?shù)谋诎彘_孔率可以改善試驗(yàn)段流場的均勻性。

[1] 劉琴,符澄,王海峰.FL-26y風(fēng)洞M1.4噴管引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告[R].中國空氣動力研究與發(fā)展氣動中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究所科技報(bào)告,2010.

[2] 黃奕裔.變開閉比風(fēng)洞跨聲速實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)的研究[R].南京航空航天大學(xué),1983.

[3] 程樸人.在變開閉比風(fēng)洞M1.5噴管的改進(jìn)試驗(yàn)研究[R].南京航空航天大學(xué),1985.

[4] 惲起麟.試驗(yàn)空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1991.

[5] 王發(fā)祥.高速風(fēng)洞試驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1999.

[6] 凌其揚(yáng).0.24m×0.2m引射式跨聲速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與使用[R].中國空氣動力研究與發(fā)展氣動中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究所科技報(bào)告,1992.