大型結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證

2020-11-03 07:40:38郭向東張平濤趙獻(xiàn)禮楊升科

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2020年5期

郭向東, 張平濤, 趙獻(xiàn)禮, 楊升科, 林偉

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

當(dāng)飛機(jī)在云層中飛行時(shí)，云層中的過冷水滴會(huì)在飛機(jī)表面產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，破壞其氣動(dòng)外形，影響氣動(dòng)性能，嚴(yán)重威脅飛行安全[1-2]。鑒于飛機(jī)結(jié)冰的嚴(yán)重危害，民用航空適航規(guī)章要求制造商通過結(jié)冰防護(hù)等手段，確保飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下的飛行安全。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是目前重要的飛機(jī)結(jié)冰適航審定手段，已經(jīng)

廣泛應(yīng)用于飛機(jī)適航審定實(shí)踐[3]。

為表明結(jié)冰風(fēng)洞具備開展結(jié)冰適航審定試驗(yàn)的能力，結(jié)冰風(fēng)洞必須開展全面的流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估，驗(yàn)證其流場(chǎng)品質(zhì)符合結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用的要求(需要指出的是：盡管民用航空適航規(guī)章并未直接對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞提出審定要求，但在飛機(jī)適航取證前，結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Ρ仨毜玫竭m航審定方的認(rèn)可，因此結(jié)冰風(fēng)洞仍需滿足適航應(yīng)用的相關(guān)要求)，熱流場(chǎng)品質(zhì)是其中一項(xiàng)重要的驗(yàn)證內(nèi)容。近年來，隨著國(guó)內(nèi)大型結(jié)冰風(fēng)洞——3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞——的建成[4]、國(guó)產(chǎn)C919客機(jī)完成首飛并全面進(jìn)入適航取證階段，在C919客機(jī)適航取證的需求牽引下，結(jié)冰風(fēng)洞流場(chǎng)符合性研究成為目前國(guó)內(nèi)大型結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其中熱流場(chǎng)符合性是相關(guān)研究的重要內(nèi)容。

針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)，世界上主要結(jié)冰風(fēng)洞均開展了相關(guān)研究。為改善熱流場(chǎng)品質(zhì)，美國(guó)NASA Glenn IRT結(jié)冰風(fēng)洞對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了多次升級(jí)改造[5-11]，建立了系統(tǒng)的熱流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估方法，開展了多期熱流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不僅為制冷系統(tǒng)升級(jí)改造提供了數(shù)據(jù)支撐和改造思路，還為該風(fēng)洞的適航應(yīng)用提供了支撐。作為目前國(guó)際上尺寸最大、性能最完善的結(jié)冰風(fēng)洞之一，意大利CIRA IWT結(jié)冰風(fēng)洞[12]也發(fā)展了配套的熱流場(chǎng)校測(cè)設(shè)備和方法，開展了全面的熱流場(chǎng)校測(cè)[13]，為該風(fēng)洞的適航應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，美國(guó)波音BRAIT結(jié)冰風(fēng)洞和Cox結(jié)冰風(fēng)洞均開展了熱流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估試驗(yàn)[14-15]，試驗(yàn)結(jié)果支撐了這些風(fēng)洞的適航應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前尚未開展系統(tǒng)的大型結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證研究，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞缺乏適航應(yīng)用的基礎(chǔ)。

本文建立了結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證方法，針對(duì)3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段構(gòu)型，開展了熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，考察了試驗(yàn)段氣流總溫、試驗(yàn)段氣流速度和噴嘴干空氣射流對(duì)熱流場(chǎng)空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性的影響，獲得了試驗(yàn)段氣流總溫修正關(guān)系，形成了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)控制包線，為其適航應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞簡(jiǎn)介

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞是一座閉口回流式高亞聲速風(fēng)洞(圖1)，主要包括結(jié)冰噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。結(jié)冰噴霧系統(tǒng)利用噴霧耙和噴嘴產(chǎn)生結(jié)冰云霧，其中噴霧耙安裝于穩(wěn)定段蜂窩器下游、收縮段入口位置，共20排，每排設(shè)置50個(gè)噴嘴安裝位置，共計(jì)安裝1000個(gè)噴嘴。制冷系統(tǒng)采用液氨作為制冷媒介，通過熱交換器換熱，控制氣流溫度，制冷系統(tǒng)最大功率約為11 MW。該風(fēng)洞擁有3個(gè)可更換試驗(yàn)段，分別為主試驗(yàn)段、次試驗(yàn)段和高速試驗(yàn)段(各試驗(yàn)段尺寸見表1)。本文僅針對(duì)主試驗(yàn)段構(gòu)型開展熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證研究。

結(jié)冰風(fēng)洞的總溫探針為四線制PT-100鉑電阻總溫探針，探針溫度測(cè)量范圍為-50 ℃～50 ℃，精度為±0.2 ℃。8根總溫探針安裝于熱交換器出口處，分別測(cè)量熱交換器8個(gè)模塊出口中心處的氣流總溫，探針位置如圖2所示。

圖2 結(jié)冰風(fēng)洞總溫探針安裝位置示意圖

2 結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證方法

圖3為結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證方法流程圖，主要包括試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理等5部分內(nèi)容，本節(jié)分別進(jìn)行介紹。

圖3 結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)符合性驗(yàn)證方法流程圖

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容

目前，國(guó)際上普遍依據(jù)國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)文件Calibrationandacceptanceoficingwindtunnels(SAE ARP 5905-2003)驗(yàn)證結(jié)冰風(fēng)洞流場(chǎng)符合性[16]。該文件明確給出了結(jié)冰風(fēng)洞在適航應(yīng)用中需要滿足的流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)，其中的熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)如表2所示。表中針對(duì)氣流靜溫，分別給出了測(cè)試設(shè)備最大不確定度、空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性等3個(gè)符合性指標(biāo)。本文依據(jù)SAE ARP 5905-2003標(biāo)準(zhǔn)，以氣流總溫為試驗(yàn)對(duì)象，開展熱流場(chǎng)符合性研究。需要指出的是：由于氣流總溫可通過總溫探針直接測(cè)量得到，進(jìn)而可以根據(jù)氣流速度計(jì)算得到氣流靜溫，因此本文選擇氣流總溫作為試驗(yàn)對(duì)象，更具有代表性。

表2 結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)儀器

采用總溫探針和溫度格柵裝置測(cè)量試驗(yàn)段內(nèi)的氣流總溫，如圖4所示。

總溫探針為四線制PT-1000鉑電阻總溫探針，如圖4(a)所示，探針長(zhǎng)100 mm、外徑6 mm，溫度測(cè)量范圍為-50 ℃～50 ℃，精度為±0.2 ℃。試驗(yàn)前對(duì)總溫探針進(jìn)行標(biāo)定[8]，獲得了總溫恢復(fù)系數(shù)，在馬赫數(shù)0～0.6范圍內(nèi)，探針恢復(fù)率范圍為0.994～1。

圖4 總溫探針和溫度格柵

溫度格柵裝置由7個(gè)垂直柵條和4個(gè)水平柵條組成，如圖4(b)所示。垂直柵條厚20 mm、寬100 mm，柵條間距為375 mm。

垂直柵條前緣設(shè)置7個(gè)探針安裝孔，如圖5所示。圖中x軸從試驗(yàn)段左壁(沿流向左側(cè)為左壁)指向右壁，y軸從試驗(yàn)段下壁面指向上壁面。試驗(yàn)段內(nèi)共設(shè)置49個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中紅點(diǎn)表示試驗(yàn)段中心線處測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的橫向(x方向)、縱向(y方向)間距分別為375和250 mm，覆蓋75%橫縱向試驗(yàn)段區(qū)域。

圖5 溫度格柵測(cè)點(diǎn)位置矩陣

2.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

氣流總溫試驗(yàn)工況如表3所示，表中給出了試驗(yàn)段名義總溫(Tt)、試驗(yàn)段名義氣流速度(vTS)、噴嘴噴氣壓力(pa)和噴霧耙入口干空氣溫度(Ta)的試驗(yàn)參數(shù)。為防止噴霧系統(tǒng)在低溫環(huán)境下?lián)p壞，應(yīng)保持熱氣在噴霧耙內(nèi)持續(xù)流動(dòng)以維持耙內(nèi)溫度，因此最小噴氣氣壓選擇0.03 MPa。

表3 溫度場(chǎng)校測(cè)工況Table 3 Test conditions of airflow total temperature measurement

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)氣流參數(shù)穩(wěn)定后，同時(shí)采集試驗(yàn)段和風(fēng)洞氣流總溫?cái)?shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)參數(shù)采樣時(shí)間為60 s，采樣頻率1 Hz。

在試驗(yàn)示范的跟蹤過程中，云天化產(chǎn)品示范田的冬棗長(zhǎng)勢(shì)旺盛，中期表現(xiàn)出掛果多，果實(shí)品相好，樹體健壯；采收期冬棗色澤好，果形均勻，畸形果少，口感佳。示范田畝增產(chǎn)82.4kg，畝增收10075.2元，給農(nóng)戶帶來的一定的經(jīng)濟(jì)效益。通過試驗(yàn)示范，云天化“滴灌二銨”和“大量元素水溶肥”系列肥料得到了種植戶的認(rèn)可。

試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)段氣流總溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行總溫恢復(fù)系數(shù)修正，獲得當(dāng)?shù)貧饬骺倻豑t,local：

(1)

式中，Tt,probe為總溫探針測(cè)量總溫(單位為 ℃)，Rr為探針總溫恢復(fù)率。

氣流總溫空間分布和時(shí)間分布以試驗(yàn)段中心線處氣流總溫Ttc,TS為基準(zhǔn)，采用氣流總溫空間偏差ΔTt,S和時(shí)間偏差ΔTt,T表征：

(2)

式中：下標(biāo)mt表示時(shí)間平均，Tt,TS為試驗(yàn)段各測(cè)量點(diǎn)處氣流總溫。進(jìn)而采用總溫空間偏差和時(shí)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)差(σ(ΔTt,S)、σ(ΔTt,T))以及最大絕對(duì)值(|ΔTt,S|max和|ΔTt,T|max)評(píng)估試驗(yàn)段內(nèi)氣流總溫的空間均勻性和試驗(yàn)段中心處的時(shí)間穩(wěn)定性。

最后，利用試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫Ttc,TS與風(fēng)洞測(cè)量氣流總溫Tt,WT，獲得試驗(yàn)段總溫修正關(guān)系：

Ttc,TS=KTt(Tt,WT)

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 氣流總溫

3.1.1 氣流總溫的空間均勻性

為評(píng)估試驗(yàn)段氣流總溫的空間均勻性，圖6給出了試驗(yàn)段氣流總溫空間分布云圖，包括40、80、120和140 m/s的氣流速度條件下，氣流總溫0 ℃、-5 ℃和-20 ℃對(duì)應(yīng)的典型試驗(yàn)結(jié)果(噴嘴氣壓均為0.03 MPa)。圖中，紅色虛線框表示模型區(qū)，范圍為-750 mm≤x≤750 mm、-500 mm≤y≤500 mm。可以看出：隨著試驗(yàn)段氣流總溫和氣流速度的降低，試驗(yàn)段上下壁面附近逐漸出現(xiàn)總溫偏差超過1 ℃的非均勻峰值區(qū)域，且非均勻峰值區(qū)域不斷向模型區(qū)內(nèi)部發(fā)展，特別是在140 m/s工況下，非均勻峰值區(qū)域已經(jīng)發(fā)展到模型區(qū)的內(nèi)部核心區(qū)域。由此可見，基于目前的制冷系統(tǒng)性能，降低試驗(yàn)段氣流總溫和提高試驗(yàn)段氣流速度均會(huì)減弱試驗(yàn)段內(nèi)熱流場(chǎng)的空間均勻性。

圖6 試驗(yàn)段氣流總溫空間分布云圖

為進(jìn)一步定量評(píng)估試驗(yàn)段熱流場(chǎng)的空間均勻性，圖7給出了試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)的氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值。圖中黑色虛線表示氣流總溫空間均勻性指標(biāo)(見表2)。可以看出：在各工況下，氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差均滿足空間均勻性指標(biāo)要求，且在40～120 m/s、-20 ℃～0 ℃工況范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差一致性較好，均小于0.6 ℃；隨著試驗(yàn)段氣流速度增大及氣流總溫降低，氣流總溫空間偏差最大絕對(duì)值整體增大，且逐漸超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，這與試驗(yàn)段上下壁面附近的非均勻峰值區(qū)域發(fā)展擴(kuò)大相對(duì)應(yīng)。在40、80和120 m/s條件下，非均勻峰值區(qū)主要集中于模型區(qū)邊界處(如圖6所示)，當(dāng)氣流總溫高于-20 ℃后，溫度偏差最大絕對(duì)值均小于1.5 ℃；但在140 m/s條件下，當(dāng)溫度低于-5 ℃后，非均勻峰值區(qū)發(fā)展擴(kuò)大至模型區(qū)核心區(qū)域，溫度偏差峰值整體增大(普遍超過1.5 ℃)；此外，噴嘴干空氣射流對(duì)氣流總溫空間均勻性并無(wú)顯著影響。由此可見，模型區(qū)內(nèi)氣流總溫空間均勻性在大部分范圍內(nèi)均滿足指標(biāo)要求，其中40 ～120 m/s、-20 ℃～0 ℃范圍內(nèi)的熱流場(chǎng)空間均勻性最優(yōu)，但是隨著試驗(yàn)段氣流速度增大以及氣流總溫降低，模型區(qū)內(nèi)逐漸出現(xiàn)總溫超標(biāo)的峰值區(qū)域，尤其是在140 m/s條件下，模型區(qū)內(nèi)普遍存在超標(biāo)區(qū)域。

3.1.2 氣流總溫的時(shí)間穩(wěn)定性

為評(píng)估試驗(yàn)段氣流總溫的時(shí)間穩(wěn)定性，圖8給出了試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線，包括噴嘴氣壓0.03、0.40和0.90 MPa狀態(tài)下，氣流速度40、80、120和140 m/s、氣流總溫0 ℃和-20 ℃對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：各工況下，氣流總溫時(shí)間偏差均在±0.5 ℃范圍內(nèi)；-20 ℃條件下的總溫偏差脈動(dòng)程度比0 ℃條件下更加劇烈，而試驗(yàn)段氣流速度和噴嘴干空氣射流對(duì)氣流總溫時(shí)間偏差并無(wú)顯著影響。

進(jìn)一步地，圖9給出了試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值。可以看出：試驗(yàn)段氣流速度和氣流總溫以及噴嘴干空氣射流對(duì)氣流總溫的時(shí)間穩(wěn)定性并無(wú)顯著影響，各工況下的氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值分別小于0.2 ℃和0.4 ℃。

圖7 試驗(yàn)段模型區(qū)氣流總溫空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值

圖8 試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差變化曲線

圖9 試驗(yàn)段中心線處氣流總溫時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對(duì)值

3.1.3 氣流總溫修正關(guān)系和不確定度

圖10為試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫修正關(guān)系和不確定度，包括噴嘴氣壓0.03、0.40和0.90 MPa對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果、擬合曲線和不確定度。從圖10(a)可以看出，風(fēng)洞采集的氣流總溫與試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫具有顯著的線性關(guān)系，其擬合公式為：

(4)

式中，KT和BT分別為斜率和截距函數(shù)，均為噴嘴氣壓的函數(shù)。

在圖10(b)中，縱軸為采用擬合公式計(jì)算的總溫(Tta,TS)與試驗(yàn)段中心線處的氣流總溫之差，黑色虛線為不確定度指標(biāo)。從圖中可以看出，在0.03和0.40 MPa條件下，擬合溫度偏差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但在0.90 MPa條件下，存在個(gè)別超標(biāo)的溫度點(diǎn)，且這些點(diǎn)主要集中在40 m/s速度條件下，如圖中的陰影區(qū)所示。考慮到主要試驗(yàn)工況下噴嘴氣壓均小于0.40 MPa，因此整體而言溫度擬合公式的不確定度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11給出了試驗(yàn)段中心線處氣流總溫與風(fēng)洞測(cè)量總溫之差。從圖中可以看出：噴嘴干空氣射流會(huì)提高氣流溫差，隨著噴嘴氣壓增大，溫差不斷增大，但增大幅度會(huì)隨著試驗(yàn)段氣流速度的增大而減小，其中，在40 m/s、-30 ℃工況下最大溫差超過2 ℃，而超過80 m/s后，溫差普遍小于1 ℃(在140 m/s、-20 ℃工況下，溫度場(chǎng)均勻性較差，則此時(shí)溫差超過1 ℃)。這主要是因?yàn)椋簢娮煜蛟囼?yàn)氣流中注入的高溫空氣將自身攜帶的能量傳遞給試驗(yàn)氣流，增大了試驗(yàn)段氣流總溫，且隨著噴嘴氣壓增大，噴嘴熱氣流量增大，進(jìn)而提高了試驗(yàn)段氣流總溫的增大幅度；但隨著試驗(yàn)段氣流速度的增大，試驗(yàn)氣流流量不斷增大，減弱了噴嘴干空氣射流對(duì)試驗(yàn)氣流的影響，導(dǎo)致氣流總溫的增大幅度減小。

3.2 結(jié)冰風(fēng)洞熱流場(chǎng)控制包線

根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估結(jié)果，給出了結(jié)冰風(fēng)洞主試驗(yàn)段熱流場(chǎng)控制包線，如圖12所示，其中橫軸為試驗(yàn)段名義氣流速度，縱軸為試驗(yàn)段名義氣流總溫，黑點(diǎn)為試驗(yàn)工況點(diǎn)。圖中綜合考慮試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)的空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性，給出了控制包線(紅線區(qū)域)，在該包線范圍內(nèi)，模型區(qū)內(nèi)熱流場(chǎng)品質(zhì)基本滿足SAE ARP 5905-2003的指標(biāo)要求，但在模型區(qū)邊界處仍存在溫度偏差超標(biāo)的峰值區(qū)。需要指出的是，在高風(fēng)速(超過140 m/s)和低總溫(小于-20 ℃)條件下，試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)存在明顯的不均勻峰值區(qū)，該區(qū)域嚴(yán)重影響氣流總溫的空間均勻性，制約著結(jié)冰風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)M范圍，因此，需要對(duì)3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提高高風(fēng)速和低總溫條件下的溫度空間均勻性，擴(kuò)展試驗(yàn)?zāi)M范圍。