采用長細管法進行脈動壓力轉(zhuǎn)捩探測的實驗研究

高永衛(wèi)，黃 鵬，朱奇亮，梁撐剛

（西北工業(yè)大學(xué)翼型研究中心，西安 710072）

采用長細管法進行脈動壓力轉(zhuǎn)捩探測的實驗研究

高永衛(wèi)，黃 鵬，朱奇亮，梁撐剛

（西北工業(yè)大學(xué)翼型研究中心，西安 710072）

為了簡便地使用測量模型表面脈動壓力特征的方法探測邊界層轉(zhuǎn)捩位置，需要研究脈動壓力傳感器接在傳統(tǒng)測壓模型外的適用性，即通過長細管將模型表面的脈動壓力信號傳遞到脈動壓力傳感器上的方式是否可得到轉(zhuǎn)捩的特征信號。首先采用信號發(fā)生器驅(qū)動揚聲器，在無風條件下，測量了長細管對不同頻率聲壓信號的傳遞損失情況。證明了所采用的長細管系統(tǒng)具有合適的工作頻帶。然后在西北工業(yè)大學(xué)NF-3低速風洞二元實驗段、實驗風速為30m／s的條件下，對弦長為800mm、展長為1.6m的翼型模型沿弦向進行了脈動壓力信號測量，并通過改進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)判斷了模型表面的轉(zhuǎn)捩位置。研究結(jié)果表明，采用長細管系統(tǒng)進行脈動壓力方法轉(zhuǎn)捩探測具有一定應(yīng)用價值，值得進一步深入研究。

邊界層；轉(zhuǎn)捩探測；脈動壓力；長細管；風洞實驗

0 引 言

轉(zhuǎn)捩的過程十分復(fù)雜。在小擾動條件下，低速邊界層流動中的轉(zhuǎn)捩過程大致如下：首先層流失穩(wěn)，TS波出現(xiàn)，形成二維條帶結(jié)構(gòu)，又經(jīng)二次失穩(wěn)發(fā)展形成三維的“Λ”渦，然后再發(fā)展成為發(fā)卡渦，最終破碎進入湍流狀態(tài)。這些現(xiàn)象會導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩區(qū)的速度脈動、壓力脈動和熱傳導(dǎo)率等物理量出現(xiàn)顯著變化［1-7］。

根據(jù)轉(zhuǎn)捩區(qū)脈動壓力信號特征進行轉(zhuǎn)捩探測（以下簡稱脈動壓力方法）被認為是一個有廣泛應(yīng)用前景的方法［8］。具體做法是：通過動態(tài)測壓系統(tǒng)測量模型表面脈動壓力的時域信號，然后進行數(shù)據(jù)處理得出信號的特征，如均值、均方根值、自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等，再根據(jù)轉(zhuǎn)捩判據(jù)進行轉(zhuǎn)捩的判斷。

一般認為采用脈動壓力方法的判據(jù)是脈動壓力信號的均方根值（RMS）在轉(zhuǎn)捩區(qū)有較大的幅值［5，8-9］，即具有高于上游層流區(qū)和下游完全湍流區(qū)的數(shù)值，如圖1所示。圖中的橫坐標為沿模型表面的流向位置。還有的認為可以利用頻譜特性、自相關(guān)函數(shù)［10-16］等進行轉(zhuǎn)捩判斷，但是其適用性還在研究當中。

圖1 某翼型表面脈動壓力均方根分布Fig.1 The distribution ofRMSof surface pressure fluctuations over the airfoil

影響脈動壓力法轉(zhuǎn)捩判斷的因素很多，主要有：適用的轉(zhuǎn)捩判據(jù)；傳感器參數(shù)及安裝方式；數(shù)據(jù)采集的時間、采樣率、截止頻率；背景噪聲信號的處理等等。要想使得脈動壓力方法盡快發(fā)揮應(yīng)有的作用，有必要對相應(yīng)的判據(jù)、信號特征及成因、測試中各項參數(shù)的選擇進行系統(tǒng)地研究。

作者針對脈動壓力方法中的直接法、短管法及數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行了初步研究［8-9］。主要結(jié)論是：在低速邊界層流動中，根據(jù)脈動壓力均方根的幅值進行轉(zhuǎn)捩判斷是可行的。所謂直接法是指脈動壓力傳感器直接安裝在模型表面，壓力信號可以直接被傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號而輸出，如圖2（a）所示。直接法的優(yōu)點是信號采集準確，但是傳感器安裝要求高，安裝困難，且傳感器的尺寸較大，對模型表面的影響相對較大。所謂短管法是指脈動壓力傳感器通過一截很短的細導(dǎo)管接到模型表面，如圖2（b）所示。短管法對信號干擾較小，且對模型表面的破壞也較小，測量較準確，但是仍然需要將傳感器埋入模型內(nèi)，模型加工工作量大，傳感器損壞的機率大，成本高。作者認為，如果要想使脈動壓力方法成為廣泛使用的轉(zhuǎn)捩探測方法，最好是能夠?qū)⒚}動壓力傳感器接到模型外，利用傳統(tǒng)的測壓模型進行轉(zhuǎn)捩測量。即采用所謂“長管法”進行脈動壓力測量。如圖2（c）所示。

圖2 測量脈動壓力的方法Fig.2 Themeasuring methods of pressure fluctuation

在3m量級的低速風洞中所使用的長細管較長，長度一般都在1m以上，這對于脈動壓力方法的應(yīng)用形成了挑戰(zhàn)。

作者認為，處理長管法的問題，可以從2方面著手。一方面，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗方法優(yōu)化管道各項參數(shù)，將不利影響降到最低；另一方面，對于現(xiàn)有管路采用實驗方法進行靜態(tài)測量，即在無風條件下，采用已知信號源進行管路信號傳遞規(guī)律測量，得到相應(yīng)修正數(shù)據(jù)。然后，對有風條件下的實測數(shù)據(jù)進行修正，最大程度上保證最終數(shù)據(jù)的正確性。另外，前期的研究表明，雖然長細管對于脈動壓力信號會引起畸變，使得信號辨識困難。但是，把測得的信號轉(zhuǎn)換成聲音信號，以聽覺方式辨別，還是能感覺到層流、轉(zhuǎn)捩和完全湍流區(qū)的不同。因此，如果數(shù)據(jù)處理方法得當，應(yīng)該能夠得到轉(zhuǎn)捩位置的信息。

課題組于2013年末進行了一期長細管測壓法的實驗探索，以期為進一步的研究奠定基礎(chǔ)。下面簡要介紹研究的基本情況。

1 實驗?zāi)Ｐ图帮L洞

實驗?zāi)Ｐ蜑橄鄬穸葹?%的翼型模型，弦長C=800mm，展長L=1600mm。在模型展向中部上表面布置12個內(nèi)徑為0.8mm測壓孔，其相對位置分別為X／C=0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55和0.60，其中X為測壓點距前緣的弦向距離。通過長細管將測壓孔與脈動壓力傳感器在風洞外連接。采用的長細管長度為1.2～1.4m，外徑1.2mm，內(nèi)徑為0.8mm，材質(zhì)為紫銅。

風洞選用西北工業(yè)大學(xué)NF-3低速風洞二元實驗段。實驗段尺寸1.6m（高）×3m（寬）×8m（長），風速范圍10～130m／s，紊流度0.045%。

傳感器選用Kulite XCQ-093系列差壓式脈動壓力傳感器，量程為10PSI（2個，布置在翼型X／C= 0.05、0.10位置）和5PSI（11個）。

采集設(shè)備為美國Agilent VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，型號E8401A。實驗中設(shè)置采樣頻率為50k Hz，低通20k Hz，采樣時間為10s。

式中：k1(min-1)和k2(g/(mg·min-1))分別為準一級和準二級動力學(xué)吸附速率常數(shù)。Qe(mg·g-1)和Qt(mg·g-1)分別為平衡時刻和t時刻的吸附容量。所得的擬合參數(shù)見表1。

圖3 翼型模型Fig.3 The airfoil model

2 靜態(tài)實驗

為了解壓力信號通過長細管后的畸變情況，本期研究進行了靜態(tài)實驗（如圖4所示）。一系列頻率的標準信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。聲音信號經(jīng)長細管通過脈動壓力傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，由采集器采樣并進行分析。另外，為了排除信號系統(tǒng)的誤差對實驗結(jié)果的影響，在模型上翼面靠近位于X／C=0.3的測壓孔處的模型外部粘貼了一個脈動壓力傳感器（如圖5所示，傳感器量程為5PSI），傳感器感壓面正對信號源。本期實驗中將其測量結(jié)果作為標準信號與通過長細管傳遞的信號進行對比。實驗中，信號發(fā)生器的頻率分別為128、256、512、1024、2048和4096Hz。

實驗在兩種“靜止”狀態(tài)下進行，分別為：零狀態(tài)1（代號Z01）：風洞幕布落下，動力風扇冷卻鼓風機關(guān)閉，轉(zhuǎn)盤門系統(tǒng)關(guān)閉。風洞處于最安靜的狀態(tài)；零狀態(tài)2（代號Z02）：風洞幕布落下，動力風扇冷卻鼓風機開啟，轉(zhuǎn)盤門系統(tǒng)開啟。風洞處于預(yù)備工作狀態(tài)。

圖4 靜態(tài)實驗示意圖Fig.4 The static text

對每個傳感器測得的時域信號進行功率譜分析，得出如圖6～7所示的測量結(jié)果（篇幅所限，只列出X／C=0.3位置處的結(jié)果）。

從圖6（Z01狀態(tài)下）可以看到：（1）所有信號中都存在頻率為50Hz的電磁干擾信號。（2）通過長細管后，有些頻率的信號被放大，如128和512 Hz。有的頻率被衰減，如256、1024和2048Hz。對于頻率為4096 Hz的信號基本淹沒在噪聲信號中。（3）在所有測量結(jié)果中，都有大量噪聲信號（畸變信號）。

圖6 Z01狀態(tài)下標準信號和長細管信號（X／C=0.3）Fig.6 Comparison of the test results under Z01（X／C=0.3）

從圖7（Z02狀態(tài)下）可以看到：（1）由于風洞動力風扇冷卻鼓風機開啟等原因，測量結(jié)果中存在24.76Hz的噪聲信號。（2）與Z01狀態(tài)類似的振幅放大／衰減性能。（3）測量結(jié)果中存在大量畸變信號。

總之，本期實驗中的長細管基本可以傳遞頻率在128～2048Hz間的信號，而超過4096Hz的信號則無法通過。實測過程中會有電信號和背景噪音信號干擾。通過長細管后，信號都產(chǎn)生了不少畸變。前期的研究表明，低速邊界層轉(zhuǎn)捩時的壓力脈動頻率主要在幾百赫茲到幾千赫茲。所以，只要數(shù)據(jù)處理方法得當，該模型所采用的管路系統(tǒng)應(yīng)該可以用于轉(zhuǎn)捩判斷。

3 有風狀態(tài)的測試結(jié)果與分析

有風狀態(tài)的測試是在來流速度V=30m／s，模型迎角為0°、2°、4°、6°和8°的條件下進行的。

由于在前期的研究中，采用熱線風速儀和表面熱膜技術(shù)，對于脈動壓力均方根的峰值用于轉(zhuǎn)捩判斷已經(jīng)做了足夠多的驗證［8-9］。因此，本期實驗中沒有再采用上述方法進行驗證。

圖7 Z02狀態(tài)下標準信號和長細管信號（X／C=0.3）Fig.7 Comparison of the test results under Z02（X／C=0.3）

3.1 脈動壓力的均方根

對實測的脈動壓力信號進行如下處理：

式中Cp為無量綱均方根值，pRMS為實測脈動壓力均方根，pRMS0為傳感器在Z01狀態(tài)下脈動壓力均方根。

在不同迎角下，以測壓孔的相對弦向位置為x軸，無量綱化脈動壓力均方根為y軸作圖（如圖8所示）。當迎角為0°時，均方根峰值在X／C=0.45處；迎角為2°時，均方根峰值在X／C=0.25處；迎角為4°和6°時，均方根峰值在X／C=0.15處。因此，模型的轉(zhuǎn)捩位置結(jié)果見表1。

圖8 翼型表面脈動壓力均方根分布，V=30m／s，自然轉(zhuǎn)捩Fig.8 The distribution ofRMSof surface pressure fluctuations over the airfoil model，V=30m／s，natural transition

表1 模型表面轉(zhuǎn)捩位置Table 1 The position of transition over the model

補充說明：（1）由于轉(zhuǎn)捩是一個區(qū)域，而傳感器的布置有一定間隔，因此，本文將轉(zhuǎn)捩特征相對最明顯的傳感器位置稱為轉(zhuǎn)捩位置；（2）迎角為8°時，均方根的峰值不明顯，轉(zhuǎn)捩區(qū)應(yīng)在X／C=0.05之前，布置測壓孔的區(qū)域已處于完全湍流區(qū)；（3）由于長細管的畸變作用，使得頻譜的分析沒有能夠看到層流區(qū)和湍流區(qū)頻譜的差別。這與文獻［19］的論述一致。

3.2 脈動壓力的自相關(guān)函數(shù)

本文對測量結(jié)果的時域信號進行了自相關(guān)函數(shù)的計算。結(jié)果如圖9～11所示。圖中比較的是圖8中同一條曲線上，具有RMS峰值點的結(jié)果。可以看出：轉(zhuǎn)捩位置的自相關(guān)函數(shù)具有較高的正峰值和更低的負峰值。例如，α=4°時（圖11），轉(zhuǎn)捩位置在X／C=0.25處，其自相關(guān)函數(shù)曲線比X／C=0.15和0.50處的值具有更高的峰值和更低的負峰值。具體原因目前還不是很清楚。但是可以知道，盡管都是RMS峰值，轉(zhuǎn)捩位置處的結(jié)果最“明顯”。

圖9 自相關(guān)函數(shù)，V=30m／s，α=0°，自然轉(zhuǎn)捩Fig.9 The autocorrelation function，V=30m／s，α=0°，natural transition

圖10 自相關(guān)函數(shù)，V=30m／s，α=2°，自然轉(zhuǎn)捩Fig.10 The autocorrelation function，V=30m／s，α=2°，natural transition

圖11 自相關(guān)函數(shù)，V=30m／s，α=4°，自然轉(zhuǎn)捩Fig.11 The autocorrelation function，V=30m／s，α=4°，natural transition

圖12 自相關(guān)函數(shù)，V=30m／s，α=6°，自然轉(zhuǎn)捩Fig.12 The autocorrelation function，V=30m／s，α=6°，natural transition

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明：

（1）在本文研究的條件下，低速邊界層的轉(zhuǎn)捩判斷可以通過長管法進行；

（2）長細管對于脈動壓力信號均方根的傳遞具有一定可用性，但對于頻譜的估計影響較大；

（3）對于測量結(jié)果中的數(shù)據(jù)進行自相關(guān)分析，可能有助于轉(zhuǎn)捩的準確判斷。至于轉(zhuǎn)捩位置處自相關(guān)函數(shù)的特征及形成機理有待進一步研究。

需要說明的是，本文的工作目前還非常粗糙，希望能夠起到一點拋磚引玉的作用。

致謝：衷心感謝NF-3風洞全體工作人員對本項目的大力支持。

［1］沈清，袁湘江，王強，等.可壓縮邊界層與混合層失穩(wěn)結(jié)構(gòu)的研究進展及其工程應(yīng)用［J］.力學(xué)進展，2012，42（3）：252-261.Shen Qing，Yuan Xiangjiang，Wang Qiang，et al.Reviews on the instability structure in compressible boundary layers and mixing layers and its application［J］.Advances in Mechanics，2012，42（3）：252-261.

［2］李存標.轉(zhuǎn)捩和湍流研究的最新進展［J］.流體力學(xué)實驗與測量，1998，12（1）：8-27.Lee Cunbiao.Recent development in the study of transition and turbulence［J］.Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，1998，12（1）：8-27.

［3］周恒.關(guān)于轉(zhuǎn)捩和湍流的研究［C］／／莊逢甘.2003空氣動力學(xué)前沿研究論文集.北京：中國宇航出版社，2003：87-92.

［4］羅紀生，王新軍，周恒.層流-湍流轉(zhuǎn)捩的突變過程的內(nèi)在機理［M］／／戴世強.現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)MMM-IX.上海：上海大學(xué)出版社，2004：3-8.

［5］胡成行，黃敘輝，李紅梅，等.應(yīng)用脈動壓力測試技術(shù)探測邊界層轉(zhuǎn)捩［J］.流體力學(xué)實驗與測量，2002，16（2）：67-71.Hu Chenghang，Huang Xuhui，Li Hongmei，et al.The location of boundary-layer transition detected by pressure fluctuation measurements［J］.，Experiments and Measurements In Fluid Mechanics，2002，16（2）：67-71.

［6］李京伯.用聲激發(fā)擾動控制邊界層轉(zhuǎn)捩［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，1994，12（2）：165-170.

［7］鄭國鋒.噪聲對邊界層轉(zhuǎn)捩的影響［J］.氣動實驗與測量控制，1994，8（1）：21-24.

［8］王猛，高永衛(wèi)，朱奇亮.利用脈動壓力探測轉(zhuǎn)捩中數(shù)據(jù)處理方法的研究［J］.實驗力學(xué)，2012，27（6）：764-770.Wang Meng，Gao Yongwei，Zhu Qiliang.An investigation on data processing in transition detection using surface pressure fluctuation［J］.Journal of Experimental Mechanics，2012，27（6）：764-770.

［9］王猛.風洞實驗中邊界層轉(zhuǎn)捩的快速判別方法研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，2012.

［10］Malik M R.Boundary-layer transition prediction toolkit［R］.AIAA 97-1904.

［11］Park S，Lauchle G C.Wall pressure fluctuation spectra due to boundary-layer transition［J］.Journal of Sound and Vibration，2009，319（2009）：1067-1082.

［12］Owen F K，Horstman C C，Stainback P C，et al.Comparison of wind tunnel transition and freestream disturbance measurements［J］.AIAA Journal，1975，13（3）：266-269.

［13］Casper K M，Beresh S J，Henfling J F，et al.Hypersonic windtunnel measurements of boundary-layer pressure fluctuations［R］.AIAA 2009-4054.

［14］Williams R，McCall S，Brekke J，et al.Ares I-X fluctuating pressure predictions and comparison to flight：data processing techniques and observations［R］.AIAA 2011-3016.

［15］Kendall J M.Wind tunnel experiments relating to supersonic and hypersonic boundary-layer transition［J］.AIAA Journal，1975，13（3）：290-299.

［16］Harvey W D，Bobbitt P J.Some anomalies between wind tunnel and flight transition results［R］.AIAA 81-1225，1981.

［17］柳兆榮，陳金娥，黃東群.壓力傳感器頻率響應(yīng)的分析［J］.力學(xué)學(xué)報，1980，4：363-372.

［18］葉挺，梁庭，張文棟.壓力測試中引壓管的動態(tài)特性研究［J］.中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，32（2）：222-226.Ye Ting，Liang Ting，Zhang Wendong.Dynamic characteristic of transmission tube in pressure measurement system［J］.Journal of North University of China（Natural Science Edition），2011，32（2）：222-226.

［19］謝壯寧，顧明.脈動風壓測壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2002，30（2）：157-163.Xie Zhuangning，Gu Ming.Optimal design for simultaneous wind pressure measurements［J］.Journal of Tongji University，2002，30（2）：157-163.

［20］王維新，謝壯寧.測壓傳壓管路系統(tǒng)動態(tài)特性的試驗分析［J］.西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，35（4）：392-396.Wang Weixin，Xie Zhuangning.Experimental investigation on the dynamic characteristics of tubing systems for fluctuating wind pressure measurements［J］.Journal of Northwest University（Natural Science Edition），2005，35（4）：392-396.

［21］馬文勇，劉慶寬，劉小兵，等.風洞試驗中測壓管路信號畸變及修正研究［J］.實驗流體力學(xué)，2013，27（4）：71-77.Ma Wenyong，Liu Qingkuan，Liu Xiaobing，et al.Study on correction and distortion effects caused by tubing systems of pressure measurements in wind tunnel［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2013，27（4）：71-77.

Experimental study on pressure fluctuation sensor-based diagnostic for boundary layer transition with long-fine tubing system

Gao Yongwei，Huang Peng，Zhu Qiliang，Liang Chenggang
（National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，710072，Xi’an，China）

Low speed flow transition zone of boundary layer can be detected by means of pressure fluctuation measurement over the surface of the test model.It is convenient that fluctuation pressure transducers are arranged outside the model through long-fine tubing system.The distortion of pressure signal caused by the tubing system should be recognized.Under the static condition（V=0m／s），the authors measured a series of sound signals over an airfoil model surface through the tubing system.The sound signal source come from a speaker actuated by a signal generation.The model chord length is 0.8m and the model span is 1.6m in length.The tubes are about 1.2m long and their inner diameters are 0.8mm.The tubing system has proved to be able to transmit the characteristics of the surface pressure fluctuation for the transition detection.Under the condition of section flow velocityV=30m／s，signals of the surface pressure fluctuation transmitted along the chord of the model were measured and the boundary layer transition zones were located.This experiment was conducted in NF-3 low-speed wind tunnel of Northwestern Polytechnical University.The authors suggest that the pressure fluctuation transition diagnostic method with long-fine tubing system is promising and further researches should be carried out.

boundary layer；transition diagnostic；pressure fluctuation；long-fine tubing system；wind tunnel experiment

O357.4+3；V211.71

：A

1672-9897（2014）06-0098-06

10.11729／syltlx20140021

（編輯：李金勇）

2014-02-28；

：2014-03-07

GaoYW，HuangP，ZhuQL，etal.Experimentalstudyonpressurefluctuationsensor-baseddiagnosticforboundarylayertransition withlong-finetubingsystem.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：98-103.高永衛(wèi)，黃 鵬，朱奇亮，等.采用長細管法進行脈動壓力轉(zhuǎn)捩探測的實驗研究.實驗流體力學(xué)，2014，28（6）：98-103.

高永衛(wèi)（1968-），男，陜西綏德人，博士、教授。研究方向：空氣動力學(xué)。通信地址：西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院111信箱（710072）。E-mail：gyw630＠nwpu.edu.cn