大型低速翼型風洞側壁邊界層控制系統研制

惠增宏，張傳俠，柳 雯

（西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室，西安 710072）

大型低速翼型風洞側壁邊界層控制系統研制

惠增宏，張傳俠，柳 雯

（西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室，西安 710072）

介紹了NF－3大型低速翼型風洞多噴嘴級聯吹氣側壁邊界層控制系統的結構和原理。為驗證本系統的功能和性能，采用側壁吹氣方案并使用增量式PID控制算法進行氣源壓力的控制，對具有增升裝置的GAW－1翼型進行了側壁邊界層吹除試驗研究。試驗結果表明：（1）使用側壁吹氣系統后翼型模型中間截面最大升力系數由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%，且模型端面截面的升力系數與中間截面的升力系數基本上相等；（2）利用增量式PID控制算法對氣源壓力的精確控制較好地完成了風洞側壁吹氣功能，改善了翼型表面流動，減小了側壁邊界層對翼型試驗結果的影響。

翼型；風洞；側壁邊界層；控制系統；PID控制

0 引 言

翼型模型風洞試驗不僅受洞壁干擾影響，也要受風洞側壁邊界層的影響。風洞試驗段口徑越小，側壁邊界層越厚，側壁效應影響就越嚴重。這種影響主要表現在隨著迎角增大，模型和側壁相交處的邊界層分離區會沿展向以約45°角向模型中間剖面擴展，影響翼型的繞流特性，致使翼型模型的升力系數降低，因此對風洞側壁邊界層進行適當控制是十分必要的。

側壁邊界層控制一般采用吹氣和吸氣兩種方式。由于氣體的可壓縮性、閥的非線性以及負載容腔內壓力變化的不均勻性等特點，都給側壁邊界層控制帶來了困難。控制系統的性能直接決定能否進行側壁吹氣及吹氣的穩定性，同時氣壓的精密控制也影響著試驗的結果。運用輸出增量式PID（Proportional－比例、Integral－積分、Derivative－微分）控制算法自動控制氣源閥門的開度及流量，進而控制吹氣縫出口吹氣量的大小，在一定程度上減小了閥門的時滯性和非線性對控制結果的影響，為采用高壓氣源的精確控制提供了可能。

針對西北工業大學翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室NF－3大型低速翼型風洞（二維試驗段高×寬×長＝3.0m×1.6m×8.0m，最大風速130m／s）研制了側壁邊界層吹氣控制系統，并采用GAW－1翼型進行了試驗驗證。

1 系統結構及原理

側壁邊界層控制系統（如圖1）主要包括吹氣控制系統、上下轉盤同步控制系統和密封系統3大部分。吹氣控制系統是整個系統的核心，主要實現對氣源壓力和電氣比例閥的精確控制，保證吹氣的準確性和穩定性；上下轉盤同步控制系統實現了上下轉盤的同步旋轉運動，避免了上下轉盤不同步旋轉運動對翼型造成的剪切應力；密封系統實現了吹風試驗時轉盤門與風洞之間的密封，防止了洞體內的氣體泄漏。

圖1 側壁邊界層控制系統原理圖Fig.1 The function diagram of sidewall boundary layer control system

高壓氣源經截止閥和電動調節閥控制后，送入風洞二維試驗段的穩壓罐中。在穩壓罐上開4路主干路氣路，穩壓后的氣體經4個電氣比例閥和氣控比例閥控制后，分為8個支路，分別送到翼型側壁前、中、后3組穩壓盒中進行穩壓，最后氣流通過3組吹氣縫對側壁邊界層進行吹除。為了避免翼型上下表面壓力差造成不必要的串流，中縫穩壓盒在中間隔斷，分為上、下翼面吹氣縫。

2 吹氣控制系統

吹氣控制系統包括氣源壓力控制系統和電氣比例閥控制系統。

2.1 氣源壓力控制系統

氣源壓力控制系統選用日本SMC公司的氣動元件組建，以滿足吹氣縫壓力控制的需要。系統主要由穩壓罐、電磁閥、大流量型空氣過濾器、過濾減壓閥、電氣比例閥、氣控比例閥、手動減壓閥、壓力傳感器等硬件組成，其控制原理圖如圖2所示。其中：

（1）4個電磁閥（型號－VP3185V－20）安裝于穩壓罐4個出氣口后，實現對干路壓縮氣體的通斷控制。

（2）4個氣控比例閥（型號－VEX1900－20）安裝于干路電磁閥后端，這種閥門屬于大流量精密減壓閥，其受壓部分使用平衡座閥式閥芯，可以得到很大的輸出流量和溢流流量。

（3）4個電氣比例閥（型號－ITV2050－312S）控制氣控比例閥實現對干路壓縮氣體的比例控制。

（4）壓力傳感器安裝于吹氣支路的末端，實現對支路氣體壓力的測量，并將壓力信息傳遞給計算機，以便使計算機對輸出壓力進行實時監控。

圖2 氣源壓力控制系統原理圖Fig.2 The function diagram of pneumatic pressure control system

2.2 電氣比例閥控制系統

電氣比例閥控制系統由主控計算機、D／A模塊、電氣比例閥、壓力傳感器、多通道顯示控制器等元器件組成，其控制原理圖如圖3。

圖3 電氣比例閥控制系統原理圖Fig.3 The function diagram of electro－pneumatic proportional pressure valve control system

給定控制系統一輸入，主控計算機根據傳感器測得的吹氣縫出口壓力，經過控制算法運算，得到一個輸出控制增量，經D／A模塊轉換后作用在電氣比例閥上。比例閥根據信號壓力的大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數，從而達到調節氣流流量的目的，實現閉環控制，以滿足吹氣縫吹氣的需要。

增量式PID控制算法具有誤動作時影響小，手動／自動切換時沖擊小，容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果等優點；另外結合電氣比例閥利用輸入增量來執行閥門開度的特性，故NF－3風洞電氣比例閥控制系統選擇了增量式PID控制算法。

電氣比例閥最高使用壓力1.0MPa，最低使用壓力0.05MPa；工作過程中，線性度保持在±1%FS（相對滿量程誤差）以內，遲滯0.5%FS，重復精度優于±0.5%FS。

2.3 控制模型

根據NF－3風洞的具體結構，將兩個轉盤門分別安裝在風洞的頂部和底部，轉盤門采用蝸輪蝸桿傳動形式實現其旋轉運動，其角行程分別為±180°，旋轉角速度為1°／s＜ω＜2°／s，上下轉盤門同步精度優于±3′。本系統設計了3組吹氣縫（如圖4），并采用吹氣縫與轉盤門分離的結構形式，這樣可以更換不同的吹氣縫，以滿足不同試驗的需要。

圖4 吹氣縫位置示意圖Fig.4 The location of blowing slot

在機械結構滿足要求的情況下，上下轉盤同步控制系統以工業控制計算機作為主控計算機，通過開關量輸入輸出模塊對轉盤門上的各種開關狀態量及開關控制量（正負限位，零位等）進行控制或監測，實現人機之間的交互及運動控制工作。由用戶輸入控制量發給控制系統中的主控計算機，主控計算機生成可執行的命令，經D／A模塊轉換后控制交流伺服電機驅動器驅動電機。交流伺服電機可通過反饋系統與主控計算機實時通訊，實現轉盤門的旋轉運動。由于交流伺服電機具有定位精度高、可自鎖等優點，進一步提高了系統的控制精度。

根據氣體壓力控制系統的輸入輸出特性，可以用簡化的一階模型來代替復雜的三階模型，簡化的一階模型可用如下一階加滯后傳遞函數模型來近似，即

式中：τ為等效純滯后時間；TS為等效時間常數；K為靜態增益。

電氣比例閥為一種氣動執行機構，它接受氣動調節器或閥門定位器輸出的氣壓信號，并將其轉換成相應的推桿直線位移，以推動調節機構動作。根據調節閥的靜態特性和動態特性，這個被控對象優化后的傳遞函數經過辨識可以表示為：

模型試驗使用具有608路高精度、高速穩態壓力測量系統（PSI9816）對翼型弦向和展向不同位置的表面測壓點和尾耙總壓進行實時采集。該系統精度優于0.05%FS，采集速度大于100采樣點／秒／通道。

3 試驗結果與分析

對帶有增升裝置的GAW－1模型進行了吹風試驗，以驗證NF－3風洞側壁邊界層控制系統的功能和性能。由于側壁邊界層吹氣控制主要影響模型表面流場，考慮到吹氣系數（λ＝qj／q，其中λ為吹氣系數，qj為吹氣縫出口動壓，q為試驗段自由流動壓）直接反映吹氣控制系統的性能，在此主要分析在不同吹氣系數下模型的升力特性，特別是失速迎角附近的升力特性。圖5給出了襟翼偏角δf＝30°、風速V＝10m／s、不同吹氣系數下翼型升力特性對比曲線。圖6給出了在此狀態下最大升力系數隨吹氣系數的變化曲線。可以看出，在相同的襟翼偏角和風速下，隨著吹氣系數逐漸增大，翼型升力系數增加。當吹氣系數達到一定程度（λ＝10），升力系數不再增加，反而有降低的趨勢（λ＝15），最大升力系數明顯降低，同時失速迎角提前；當吹氣系數繼續增加（λ＝20），升力系數突然增加，而最大升力系數繼續降低，失速迎角繼續提前。說明吹氣系數過大造成吹氣縫氣流對風洞氣流產生擾動，致使翼型表面的流動更加復雜，故λ＝10為這一狀態下的最佳吹氣系數，即控制系統的最佳增益。

圖5 GAW－1翼型不同吹氣系數升力特性對比試驗曲線（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.5 Comparison of CLamong different blowing coefficients on GAW－1

圖6 GAW－1翼型最大升力系數隨吹氣系數變化試驗曲線（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.6 Variation of CLmaxwith blowing coefficient on GAW－1

為了研究展向流動情況，分別在GAW－1模型翼展中間剖面和靠近洞壁80mm剖面各開了118和66個測壓孔，各測壓孔由紫銅管通過轉軸引出模型，連接到PSI9816壓力測量系統對應的傳感器上。圖7給出了襟翼偏角δf＝30°、迎角α＝10°、風速V＝10m／s、不同吹氣系數下翼型中間截面的壓力分布對比曲線，可以看出，吹氣系數（λ＝20）時主翼上表面的負壓明顯大于不吹氣狀態，而且翼型前緣吸力峰值增大，說明側壁吹氣改善了翼型表面的二元流動，推遲了邊界層的分離。圖8給出了襟翼偏角δf＝20°、風速V＝15m／s、不同吹氣系數、不同截面下的升力特性對比曲線。從圖8中可以看出，在不進行側壁吹氣的情況下，中間截面的升力系數大于端面截面；在相同的吹氣系數（λ＝13）、相同的風速（V＝15m／s）條件下，端面截面和中間截面的升力系數有了不同程度的增加，靠近吹氣縫的端面截面增加幅度高于中間截面，而且端面截面升力系數已經基本等于中間截面，說明側壁吹氣產生了明顯的效果。經過側壁吹氣，中間截面最大升力系數由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%；端面截面由2.72增加到2.85，增加幅度4.7%。

圖7 GAW－1翼型不同吹氣系數下壓力分布對比試驗曲線（δf＝30°，α＝10°，V＝10m／s）Fig.7 Comparison of Cpbetween different blowing coefficients on GAW－1

圖8 GAW－1翼型不同吹氣系數、截面時升力特性對比試驗曲線（δf＝20°，V＝15m／s）Fig.8 Comparison of CLbetween different blowing coefficients and sections on GAW－1

試驗表明，通過吹風試驗能夠尋找到翼型模型不同狀態下的最佳吹氣系數，即側壁邊界層控制系統最佳增益，但是吹氣系數過大也會使翼型表面流動趨于復雜化；翼型模型端面截面的升力系數基本上接近模型中間截面的升力系數，說明采用側壁吹氣方案改善了翼型表面流動，減小了側壁邊界層對翼型試驗結果的影響，提高了翼型的升力系數，尤其在失速迎角附近效果顯著，這與文獻［4］中穩定吹氣狀態下的結論一致。

4 結 論

（1）利用增量式PID控制算法實現對側壁邊界層控制系統中不確定因素進行在線補償，氣源壓力控制的精確度得到改善，提高了側壁吹氣的準確性和穩定性；

（2）經過試驗驗證側壁吹氣改善了翼型表面流動，減小了側壁邊界層對翼型試驗結果的影響，說明本系統能夠較好的完成風洞側壁吹氣功能，取得了良好的效果。

另外，通過對風洞側壁邊界層控制系統的研究發現，在今后的工作中可以在以下3方面做進一步探討：

（1）基于現代控制理論，運用不同的控制算法進行不斷優化，比較各種控制優化算法的控制效果以及對模型氣動性能的影響；

（2）研究側壁邊界層控制系統各支路單獨控制與集群控制的效果，尋找多種控制方案的最佳增益；

（3）通過試驗確定消除或近似消除風洞側壁邊界層影響的判定準則，進而優化側壁邊界層控制系統，使其能夠根據試驗狀態自動調整吹氣量并獲得最佳吹氣系數。

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惠增宏（1969－），男，陜西富平縣人，高級工程師，博士。研究方向：流體力學測量與控制。通訊地址：陜西省西安市西北工業大學111信箱 （710072），聯 系 電 話：029－88493775轉6201，13572282305，E－mail：huizh＠nwpu.edu.cn

The development of sidewall boundary layer control system for large airfoil low－speed wind tunnel

HUI Zeng－hong，ZHANG Chuan－xia，LIU Wen
（National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

This paper describes the structure and the application of multi－injector blowing sidewall boundary layer control system for NF－3large airfoil low－speed wind tunnel.The sidewall boundary layer blowing experimental investigation of GAW－1airfoil with high lift device by using the method of sidewall blowing and applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure is carried out for testing the function and performance of the system.The results show that the highest lift coefficient increases by 1.8%from 2.79to 2.84on the middle section of the airfoil，and the lift coefficient of the edge section is basically equal to the middle section.It shows that the system applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure accurately has achieved the function of wind tunnel sidewall boundary layer blowing.Sidewall blowing improves the flow on the surface of airfoil and decreases the effect of sidewall boundary layer on the airfoil experiment results.

airfoil；wind tunnel；sidewall boundary layer；control system；PID control

V211.752

A

1672－9897（2012）05－0084－05

2011－08－04；

2011－12－02

國家高技術研究發展計劃（2007AA05Z448）