低速風洞固定地板附面層控制實驗研究

湯 偉, 陳 立, 王 輝, 張平濤(1. 西北工業(yè)大學 航空學院, 西安 71007; . 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所, 四川 綿陽 61000)

低速風洞固定地板附面層控制實驗研究

湯 偉1,*, 陳 立2, 王 輝2, 張平濤2
(1. 西北工業(yè)大學 航空學院, 西安 710072; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

在飛機起降和車輛的風洞試驗中，通常采用固定地板來模擬地面，但固定地板附面層的存在對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生了不可忽略的影響。因此，需要采取一定措施控制地板表面上的附面層影響。采用附面層吸除方法對于中國空氣動力研究與發(fā)展中心8m×6m低速風洞的大面積地板來說效果較好、可行性高。研制了含有可單獨控制的48個吸氣單元共192個吸氣孔的地板，集成了以水環(huán)真空泵組為基礎(chǔ)的真空吸氣和控制系統(tǒng)。在70m/s的風速下，通過試驗獲得了10種地板分布式吸氣控制方案對地板附面層厚度的影響規(guī)律，得到了將附面層厚度控制在30mm的最佳吸氣控制方案。在最佳控制方案下，測量得到風洞流場氣流偏角為-0.14°，驗證了附面層厚度不受地板在風洞中安裝高度的影響。最后，采用C919飛機模型完成了吸氣地板和不吸氣地板的對比試驗，得出在迎角8°以上，吸氣地板使C919飛機試驗獲得的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加，俯仰力矩增加。

固定地板；吸氣地坂；附面層；8m×6m風洞；試驗技術(shù)

0 引 言

飛機起降過程和車輛行駛中，空氣繞流因為受到地面的影響而與在自由大氣中的流動有所不同，從而產(chǎn)生附加的下壓力或者升力，影響飛機和車輛的操縱性和穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象就是地面效應(yīng)[1]。

目前，風洞試驗地板是研究地面效應(yīng)的主要裝置，其中固定地板運用比較廣泛。但固定地板在模擬地面效應(yīng)時，由于地板表面存在附面層，試驗?zāi)Ｐ团c地板之間的流場特征與真實情況存在較大差異，影響到最終試驗結(jié)果的準確性。對于車輛而言，如果地面附面層厚度大于被測車輛離地間隙的 10%時，所測阻力減小，升力增大[2]。對于飛機而言，地面效應(yīng)使飛機的升力線斜率增加、誘導(dǎo)阻力減小、縱向安定度增加[3-4]。因此需要在試驗中采取措施控制地板的附面層，文獻[5]中總結(jié)了層流附面層的控制方法：移動固壁、附面層加速(吹除)、抽吸、外部介質(zhì)射流、外形優(yōu)化和壁面冷卻。目前對固定地板的改進設(shè)計主要在前3個方面展開，分別有活動地板、吸氣地板和吹氣地板。

吸氣地板是將地板附面層內(nèi)的低能量氣體吸除，從而避免附面層的增厚與分離。此時必須進行吸氣所引起的氣流方向偏斜修正，且吸氣量足夠吸除附面層即可，不能太大，否則會使流動條件受到破壞[6]。 R．Wulf[7]于 1975 年為哥廷根空氣動力研究所的 3m×3m開口低速風洞研制了帶附面層均勻抽吸裝置的地板。同濟大學 TJ-2 號風洞采用上游基礎(chǔ)均勻抽吸法，抽吸后試驗?zāi)Ｐ颓案矫鎸游灰坪穸扔刹怀槲?12mm 下降到 5mm，降幅達 50%[8]。北京空氣動力研究所在 FD-09航空風洞改建為汽車模型風洞中采用開槽內(nèi)部吸氣法進行附面層控制，抽吸之后地板中間位置附面層厚底下降 28.6%，且橫向分布均勻[9]。國防科學技術(shù)大學的KD-03風洞采用了交錯布置的多孔變流量附面層均勻抽吸地板，并應(yīng)用于高速列車的模型試驗[10]。

雖然從20世紀80年代以來，國內(nèi)外就對吸氣地板進行了研究和應(yīng)用[6-14]，但主要還是集中在汽車風洞和3m以下尺寸的航空風洞，試驗風速較低，抽吸流量較小。國內(nèi)在吸氣地板應(yīng)用方面的相關(guān)工作較少，且從未在大型生產(chǎn)型航空風洞中做過應(yīng)用研究。僅在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的Φ3.2m低速風洞建立過活動帶地板系統(tǒng)用來控制附面層[3]。與活動帶地板相比，吸氣地板的優(yōu)勢在于設(shè)計制造難度較低，易于實施，成本較低，且效果類似[15]。為了提高大型低速風洞地面效應(yīng)試驗?zāi)芰Γ玫貫樾滦惋w機研制服務(wù)，結(jié)合中國空氣動力研究與發(fā)展中心8m×6m風洞的具體條件，研制了基于區(qū)域的分布式吸氣地板附面層控制試驗裝置。針對常規(guī)飛機模型測力試驗，開展了不同風速下吸氣流量對附面層厚度的影響研究，測量了風洞氣流偏角受吸氣影響的變化量，同時研究了地板安裝高度對吸氣和附面層厚度的影響，并完成了一期全機模型吸氣和不吸氣地板的對比試驗研究。

1 實驗設(shè)備

對固定地板的附面層控制研究，就是要采用合適的吸氣結(jié)構(gòu)方式，應(yīng)對一定的來流速度，找到合適的吸氣流量，使地板附面層盡可能地減薄，對外流的影響盡可能地減小。影響固定地板附面層控制效果的主要因素有吸氣流量、來流速度、吸氣方式等。本文在確定分布式吸氣方式的基礎(chǔ)上，開展了不同風速、不同吸氣流量情況下的固定地板附面層控制研究。

1.1 吸氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

試驗設(shè)備主要包括開孔吸氣地板、大流量抽吸設(shè)備和吸氣控制裝置3大部分。為了滿足大吸氣流量的需求，吸氣裝置選用了大型水環(huán)真空泵組，通過管道連接到開孔地板的下方吸氣，具備多路吸氣且各路流量分別可控的功能，方便對吸氣流量和控制方案進行研究。控制裝置基于ProfiBus_DP現(xiàn)場總線構(gòu)建，完成對吸氣管路流量、壓力的控制運算。吸氣系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示，系統(tǒng)主要設(shè)備包括：2BEC72A水環(huán)真空泵組、氣動調(diào)節(jié)閥、主管路調(diào)節(jié)蝶閥、補氣調(diào)節(jié)閥、槽道流量計、壓力傳感器、工控主機及PLC主從站、吸氣主管路及各支路等設(shè)備。

1.2 分布式吸氣地板結(jié)構(gòu)設(shè)計

地板吸氣方式一般有開槽和開孔2種方式，隨著加工技術(shù)的不斷進步，在地板上加工出大量的吸氣孔已不是難題，且開孔方式有利于吸氣的均勻性和流量的控制。因此，本項工作采用開孔方式的地板結(jié)構(gòu)。

8m×6m低速風洞固定地板長12m，寬5m，總面積60m2。由于地板面積較大，為了便于控制附面層分布，保證附面層吸除的均勻性，需采用分布式吸氣方案。地板吸氣區(qū)域為12m×5m，整塊地板均勻分布了192個吸氣開口。為了方便進行流量控制，將其吸氣開口分割為48個密閉的吸氣單元。為了保證每個單元內(nèi)吸氣的均勻性，在表面開孔板和吸氣管道之間架設(shè)了用于整流的阻尼網(wǎng)和鋁蜂窩板。如圖2所示。

同時，為了實現(xiàn)對附面層厚度及分布的調(diào)節(jié)，48個吸氣單元可通過管道結(jié)構(gòu)自由組合成16個吸氣區(qū)域，連接到16個可獨立控制流量的管道和閥門。目的是為了不同的試驗需求，自由設(shè)定地板各區(qū)域的流量要求，如圖3所示。

2 實驗內(nèi)容及方法

在空風洞的情況下，調(diào)節(jié)16個吸氣區(qū)域的吸氣流量并測量地板附面層厚度，最終獲取使附面層厚度最小的最佳流量控制方案。

2.1 附面層厚度測量方法

由于風洞地板的總面積達到60m2，只有通過交錯分布的多個總壓耙測量才能較為準確地獲得整個地板的附面層厚度分布情況。根據(jù)以往經(jīng)驗，試驗時同時使用5個總壓耙，高度分別為150、150、300、300和450mm。試驗時同時以距離地板上表面高度1.5m處的風速管數(shù)據(jù)作為靜壓參考。

測量橫向附面層分布時，總壓耙平行布置。測量縱向(順流向)附面層分布時，可將順流向不同位置處的總壓耙在橫向均勻錯開布置，減小每個耙所受上游總壓耙的影響，如圖4所示。如此可以在調(diào)節(jié)吸氣流量分布時，實時監(jiān)測地板附面層厚度順風向分布的變化。

2.2 附面層厚度測量內(nèi)容

針對常規(guī)的飛機模型測力試驗，表1中給出了10種主要的區(qū)域吸氣流量配置研究方案。為了保證橫向附面層厚度的一致性，地板左右吸氣單元的流量保持相同。在表1的流量配置方案下，分別測量風速50和70m/s時的地板橫向和縱向的附面層厚度。

表1 吸氣流量配置方案表Table 1 Different suction flow configurations

3 實驗結(jié)果分析

試驗首先測量了流量系數(shù)分別為0(不吸氣)和不為0的工況下，地板橫向的附面層厚度δ分布。測試結(jié)果表明，不吸氣時，地板橫向的附面層厚度是一致的；吸氣工況下，只要地板兩側(cè)的管路流量保持對稱，就能夠確保附面層橫向分布均勻。

在確保附面層橫向分布一致的情況下，測量了不同吸氣流量系數(shù)Cq(系統(tǒng)實際吸氣流量與風洞內(nèi)的總流量之比)和不同風速下的縱向附面層厚度分布。圖5中曲線表明，在流量系數(shù)不變(總流量不變)的前提下，通過調(diào)節(jié)流量分布，可以對附面層分布產(chǎn)生明顯的影響。流量集中在前半?yún)^(qū)域的配置方案2使附面層厚度整體明顯下降，中心附面層厚度最低，但后半部分附面層很快增厚，使整體附面層分布極不均勻；采用流量集中在后半?yún)^(qū)域的配置方案3時，地板前半部附面層自由發(fā)展，后半部均勻吸氣容易使整體附面層分布均勻，但附面層厚度下降最少；采用前半部流量占優(yōu)、總體流量分布相對均勻的配置方案1時，附面層控制效果最好。這一結(jié)果表明，應(yīng)當將附面層開始增厚的前部區(qū)域作為厚度控制的重點。

與圖5的曲線相比，圖6的曲線表明吸氣流量越大，附面層吸除的整體效果越明顯。圖6中流量配置方案5顯示出最優(yōu)的附面層控制效果。

根據(jù)配置方案5的流量分布方式，適當增大總體流量，得到了70m/s風速下最佳的流量配置方案8。此時，流量控制系數(shù)為0.0031，地板中部區(qū)域附面層厚度為30mm，最靠近地板后緣的測點測得附面層厚度不超過50mm，如圖7所示。

吸除附面層必然會影響風洞氣流的流動，導(dǎo)致流場發(fā)生變化。根據(jù)文獻[9]的測量結(jié)果，采用吸氣地板和普通地板，其風洞的動壓分布均勻性和湍流強度基本相同，因此對流場品質(zhì)影響不大。吸氣地板最主要的影響在于會引入方向向下的速度，導(dǎo)致氣流向下偏轉(zhuǎn)，因此必須測量出氣流偏角用于后續(xù)試驗數(shù)據(jù)的修正。在最佳流量配置方案8下，使用6根七孔探針測量氣流偏角，考察吸氣對于氣流偏角的影響。探針距離地板上表面的高度分別為30、80、130、230、330和430mm。根據(jù)平均測量值和帶模型試驗換算的結(jié)果，實際氣流偏角約-0.14°，略低于理論計算得到的值-0.17°。這應(yīng)是因為模型區(qū)附近的地板兩側(cè)邊緣存在局部不吸氣的區(qū)域，從而減弱了吸氣下洗的效果。該測試結(jié)果可作為后續(xù)帶模型試驗的迎角修正依據(jù)。

此外，還進一步抬高地板在風洞中的安裝高度，以研究附面層厚度受到的影響。在最佳流量配置方案8下，將地板升高0.5m，使其上表面距離風洞底壁約1.5m，而后重新測量速壓控制系數(shù)和附面層厚度。結(jié)果表明地板升高后速壓控制系數(shù)增大了0.002，但對附面層厚度及分布的影響可忽略。這說明地板高度變化不大的情況下，無需重新標定附面層的參數(shù)，也無需調(diào)整吸氣系統(tǒng)的流量配置方案。

總的來說，分布式吸氣對于固定地板的附面層控制的效果很明顯。通過區(qū)域流量控制，可以將整個12m長的地板附面層降低一倍以上，且前后附面層厚度差距不大。對稱情況下的吸氣對整個風洞流場的氣流偏角影響也較小。

4 客機模型的地效對比試驗

為了進一步研究附面層控制效果對實際風洞模型試驗的影響情況，采用了C919的1∶7.636全機模型，針對風速70m/s進行了吸氣和不吸氣地板下的對比試驗。試驗條件如下：以平均氣動弦長為參考長度的雷諾數(shù)約為2.43×106。迎角范圍-2°～14°，側(cè)滑角范圍-12°～12°。試驗?zāi)Ｐ筒捎脝沃U斜背撐方式支撐，支架干擾修正采用型號試驗的空中狀態(tài)(背撐)支架干擾量。

試驗時采取固定模型高度變姿態(tài)角的方式進行。固定高度變迎角試驗時參考DNW風洞的地效試驗條件，取0°迎角時機身水平構(gòu)造線距離地板表面高度730mm，此時，著陸狀態(tài)襟翼后緣距離地板表面高度約1倍平均氣動弦長。近地狀態(tài)的變迎角試驗采用步進測量。

圖8是著陸構(gòu)型近地狀態(tài)的試驗結(jié)果。從曲線中可以看到，迎角低于8°時，吸氣地板與固定地板的試驗結(jié)果一致；迎角高于8°時，吸氣地板與固定地板試驗結(jié)果比較，升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加，俯仰力矩增加。這符合地面效應(yīng)的變化規(guī)律，與DNW風洞A320的研究結(jié)果一致[16]。

5 結(jié) 論

針對大面積固定地板，提出了新的分布式吸氣地板附面層控制方案。通過試驗研究，驗證了分布式吸氣方法對固定地板附面層進行控制的有效性，獲得了使附面層厚度最小的最佳吸氣流量控制方案。在此方案下研究了吸氣對氣流偏角的定量影響，明確了固定地板安裝高度對附面層厚度影響可以忽略。最后，將該方案在C919大型客機的地面效應(yīng)試驗中進行了驗證，獲得了可靠地效試驗結(jié)果。該項工作的完成提升了中國空氣研究與發(fā)展中心8m×6m風洞地面效應(yīng)試驗?zāi)芰Γ瑢π滦惋w機近地性能評估及優(yōu)化試驗研究有重要意義。這也是下一步精細研究固定地板附面層控制方法和地面效應(yīng)問題的基礎(chǔ)。

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(編輯：李金勇)

Experimental study on the control of fixed floor boundary layer in low speed wind tunnel

Tang Wei1,*, Chen Li2, Wang Hui2, Zhang Pingtao2

(1. School of Aeronautics Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In the wind tunnel test of aircraft-taking-and-landing and vehicles, the fixed floor is used to simulate the ground. The existence of the fixed floor boundary layer has an influence on the test data. Generally in order to obtain full and reliable experimental data close to the ground state, various methods can be used to eliminate the boundary layer influence on the surface of the ground floor. Considering the effect and feasibility of large area fixed floor, we have put forward the suction control method of boundary layer thickness in the 8m×6m wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center. The fixed floor with 48 suction units and 192 suction holes, which can be individually controlled, is developed. Based on the water ring vacuum pipe, a vacuum suction and control system is designed. Through the experiments, 10 kinds of boundary layer thickness control option are analyzed at the wind speed of 70m/s. Then we get the optimal control option with 30mm boundary layer thickness. At this optimal option, the influence on the flow angle is -0.14° and the height of the floor is also investigated. In the end, the suction floor system is applied in the wind tunnel test of C919, where it is found that at the angle of attack more than 8°, the lift coefficient decreases, the drag coefficient increases and the pitching moment increases.

fixed floor;suction floor;boundary layer;8m×6m wind tunnel;test technique

2016-04-14;

2016-07-18

TangW,ChenL,WangH,etal.Experimentalstudyonthecontroloffixedfloorboundarylayerinlowspeedwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 93-97, 103. 湯 偉, 陳 立, 王 輝, 等. 低速風洞固定地板附面層控制實驗研究. 實驗流體力學, 2017, 31(2): 93-97, 103.

1672-9897(2017)02-0093-10

10.11729/syltlx20160066

V211.3

A

湯 偉(1980-)，男，安徽六安人，碩士。研究方向：實驗流體力學。通信地址：綿陽市二環(huán)路南段6號(621000)。E-mail：503939666@qq.com

*通信作者 E-mail: 503939666@qq.com