高超聲速尖錐邊界層壓力脈動和熱流脈動特性試驗

李強,萬兵兵,楊凱,朱濤

1.中國空氣動力研究與發展中心 計算空氣動力研究所,綿陽 621000

2.中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所,綿陽 621000

高超聲速飛行器在臨近空間和大氣層內長時間、高速飛行時,面臨著嚴峻的氣動力、氣動熱問題,邊界層轉捩的發生、發展過程嚴重影響著飛行器的氣動性能,甚至可能成為影響成敗的關鍵問題。高超聲速邊界層轉捩位置預測是一個尚未解決的關鍵問題,它對于飛行器設計具有非常重要的作用,邊界層轉捩的起始位置和擾動的發展影響著飛行器的表面摩阻、熱流、分離發生的位置等,進而顯著影響高超聲速飛行器氣動力、氣動熱特性,準確地測量邊界層轉捩發生的位置和其后擾動的發展對高速飛行器氣動設計,特別是熱防護系統的設計是至關重要的,對于飛行器設計具有重要的理論意義和應用價值。

結合當前高超聲速邊界層轉捩的理論研究,來流擾動的演化和發展被認為是邊界層轉捩機理的核心。相應地,風洞試驗研究也越來越關注高頻脈動量的測試與分析。目前,風洞試驗中常用的高頻脈動測試手段主要有：利用以PCB132為主的高頻脈動壓力傳感器獲得高頻壓力脈動信號,但是上述高頻脈動壓力傳感器1 MHz以上的固有頻率限制了其只能有效測試500 k Hz以下的高頻脈動壓力信號；采用熱線風速儀獲取高頻速度脈動,在高超聲速風洞試驗中要想獲得更高速度脈動信號就需要使得熱線更細,而更細的熱線在高超聲速風洞試驗中更容易斷裂失效；基于非接觸式光學測量手段發展的聚焦激光差分干涉儀主要用來捕捉高頻密度脈動,顯然,聚焦激光差分干涉儀對觀測光路條件及測試設備布放空間要求比較高,且只能完成單點位置上的測試,往往需要結合CFD 計算或是多次測試以確定最關心的測試位置；高頻熱流脈動的測試主要是利用基于溫差的熱阻式測熱原理發展起來的原子層熱電堆(ALTP)熱流傳感器實現。從理論上來說,熱流脈動是法向溫度梯度的脈動量,壓力脈動與熱流脈動可通過狀態方程建立關聯,因此熱流傳感器測得的結果與壓力傳感器應一致。

國外,利用ALTP熱流傳感器在高超聲速風洞中開展大量高超聲速邊界層轉捩試驗研究,測量得到了平板或尖錐模型表面脈動熱流第二模態波頻譜,并得到了波包群速度、相速度等,與PCB 傳感器或熱線風速儀測量結果相吻合,這說明了熱流脈動與壓力脈動的正關聯關系。

國內,在脈沖燃燒風洞中,使用國外的ALTP傳感器開展過脈動熱流測量試驗。在缺乏ALTP熱流傳感器的情況下,也嘗試過利用薄膜熱電阻熱流傳感器(以下簡稱薄膜熱流計)進行高頻熱流脈動測試。但是,基于半無限大體假設的薄膜熱流計在將溫度測試信號轉換成熱流時,算法會放大噪聲干擾,而ALTP熱流傳感器的輸出與被測熱流成線性正比關系,不存在算法變換的問題。

本文作者在之前的研究中,對中國空氣動力研究與發展中心?2 m 激波風洞(FD-14A)中的薄膜熱流傳感器測熱技術、溫敏熱圖測量技術、高頻脈動壓力測量技術、高時空分辨率紋影顯示技術等適用于激波風洞的邊界層轉捩測量技術及其應用情況進行了介紹。在前述工作基礎上,采用PCB高頻脈動壓力傳感器和自研的ALTP 熱流傳感器,在?2 m 激波風洞(FD-14A)中,對尖錐模型表面高頻壓力脈動和高頻熱流脈動進行測量,驗證自研的ALTP 熱流傳感器頻譜響應性能,并對激波風洞邊界層壓力脈動和熱流脈動特性進行對比研究。

1 PCB壓力傳感器和ALTP熱流傳感器

PCB高頻脈動壓力傳感器的詳情可參考文獻[35]。本次試驗采用PCB132A31型壓力傳感器,固有頻率超過1 MHz,風洞配套的數據采集處理系統采樣頻率為5 MHz。

ALTP熱流傳感器是一類熱阻式熱流傳感器,其敏感元件為百納米級厚的釔鋇銅氧化物(YBaCuO,YBCO)薄膜。由于描述YBCO 薄膜熱電效應的塞貝克系數是一個二階張量,通過YBCO 薄膜晶體取向控制便能使得YBCO 薄膜在溫度梯度場下的電輸出與溫度梯度方向垂直,即橫向塞貝克效應。因此,不像HFM 型熱阻式熱流傳感器需要引入μm 級厚度的熱阻層,ALTP熱流傳感器中YBCO 薄膜既是熱阻層,又是溫度梯度場下電信號產生元件,使得敏感薄膜能控制在百納米級厚度,百納米級厚度才能保證傳感器的響應頻率達到1 MHz以上。本文所使用的ALTP熱流傳感器外徑8 mm、YBCO 薄膜有效尺寸為3 mm×1 mm,如圖1所示；利用可溯源至室溫電標定輻射計的熱流傳感器標定系統對ALTP 傳感器進行標定,不確定度小于5%。傳感器測試原理、傳感器封裝結構等詳情可參考文獻[37]。

圖1 自研的ALTP熱流傳感器Fig.1 Self-innovated ALTP heat-flux sensors

2 尖錐模型試驗條件

本次試驗在3個流場條件下開展,流場參數如表1所示。試驗模型是-7°半錐角尖錐模型,0°攻角,如圖2所示,模型頭部鈍度0.05 mm,理論尖點距模型底部800 mm。沿模型90°母線安裝8個PCB高頻脈動壓力傳感器,第1個傳感器軸線與模型母線交點沿模型軸向距模型理論尖點125 mm,以后各傳感器間距80 mm。0°母線上,從=125 mm(坐標是沿模型軸線至理論尖點的距離)位置處開始,間隔20 mm 安裝32個鉑電阻熱流傳感器。在尖錐模型后端安裝4支ALTP熱流傳感器,1#2#ALTP傳感器與7#PCB 傳感器等圓截面(=605 mm)、3#4#ALTP傳感器與8# PCB 傳感器等圓截面(=685 mm)。ALTP熱流傳感器以及薄膜熱流計的采樣頻率都設置為1 MHz。

表1 激波風洞流場參數Table 1 Flow field parameters of shock tunnel

圖2 試驗模型及傳感器Fig.2 Experimental model and sensors

3 試驗結果分析

3.1 邊界層轉捩

如圖3所示,給出了鉑電阻熱流傳感器測量的熱流/q沿流向分布變化情況,反應了尖錐模型表面邊界層在3個流場條件下的轉捩情況。激波風洞是脈沖型高超聲速風洞,熱流傳感器測量的是冷壁熱流,沿流向通過熱流測量結果的空間分布可以判斷邊界層轉捩情況。流場1 條件下熱流從頭部開始降低,此時邊界層為層流流態；在≈200～250 mm 區間熱流升高,表明邊界層開始轉捩；在≈400 mm 位置附近,熱流升到最高并開始振蕩降低,表明邊界層轉捩完成變成湍流流態。流場2和流場3條件下,熱流從頭部開始單調降低,表明邊界層一直是層流流態。需要說明的是,圖中熱流結果是以半徑=15 mm 的球頭駐點熱流為無量綱參考值得到的結果。

從圖3中可以看出,流場1單位雷諾數最高,尖錐模型邊界層大概在≈200～250 mm 區間開始轉捩,8支PCB傳感器測量區域邊界層處于層流/轉捩/湍流3種不同流態,而ALTP傳感器測量區域邊界層是湍流流態。流場2單位雷諾數低一些,尖錐模型邊界層為層流流態,邊界層還未開始轉捩。流場3雷諾數最低,尖錐模型邊界層為層流流態,邊界層還未開始轉捩,另外流場2和流場3無量綱熱流結果基本重合。

圖3 尖錐模型表面熱流分布Fig.3 Heat flux distribution on cone model surface

3.2 壓力脈動特性

圖4～圖6給出了3個流場條件下的PCB傳感器測量的壓力脈動功率譜(PSD)。流場1的8支PCB傳感器測量區域邊界層處于層流/轉捩/湍流3種不同流態,因此壓力脈動功率譜既有典型的第二模態波頻譜特性,也有湍流頻譜特性。流場2條件下整個尖錐模型表面都是層流,圖5中的頻譜特性顯示了第二模態波沿流向頻率降低、幅值增大的現象,可以推論雖然目前測量的尖錐邊界層為層流流態,但如果尖錐模型足夠長,該工況下邊界層即將開始轉捩。流場3條件下尖錐模型邊界層也為層流,但雷諾數更低,圖6中顯示壓力傳感器都沒有測到明顯的第二模態波,但對比3.4節,該流場第二模態波信號較弱,本節中功率譜處理方法不能顯示細節,使得結果失真。

圖4 流場1壓力脈動功率譜Fig.4 PSD of pressure fluctuations in flow-field 1

圖5 流場2壓力脈動功率譜Fig.5 PSD of pressure fluctuations in flow-field 2

圖6 流場3壓力脈動功率譜Fig.6 PSD of pressure fluctuations in flow-field 3

3.3 熱流脈動特性

圖7～圖9給出了3個流場條件下的ALTP傳感器測量的熱流脈動功率譜。流場1 條件下ALTP傳感器測量區域是湍流,熱流脈動呈現典型的湍流頻譜特性,沒有明顯的峰值頻帶。流場2條件下ALTP傳感器測量區域是層流,圖中顯示ALTP傳感器測量得到了比較明顯的熱流脈動第二模態波頻譜特性(150 k Hz附近),并且4只傳感器測量的頻率變化規律符合其安裝位置關系(圖中PSD 幅值僅供參考)。另外圖8 中300 k Hz附近頻帶是第二模態波諧波,3.4 節有相關計算結果證明；60 k Hz附近頻帶可能是風洞流場和數據采集系統帶來的干擾信號。流場3條件下ALTP傳感器測量區域也是層流,但單位雷諾數更低,ALTP傳感器測量得到了明顯的熱流脈動第二模態波頻譜特性,但其幅值相對流場2情況下明顯較弱,而流場3條件下的鉑薄膜熱流傳感器測量得到的熱流絕對值實際上相對更高一點,所以這一情況反映了由于該流場單位雷諾數較低,擾動波的發展相對較晚,相同位置熱流脈動相對較弱。另外流場3條件下沒有觀測到諧波,60 k Hz附近頻帶同樣存在干擾信號。

圖7 流場1熱流脈動功率譜Fig.7 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 1

圖8 流場2熱流脈動功率譜Fig.8 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 2

圖9 流場3熱流脈動功率譜Fig.9 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 3

需要說明的是,圖4～圖9 都是利用Welch方法獲得的信號功率譜密度。為了捕捉到測試數據中高頻脈動分量,且以較為光滑的曲線形式將其凸顯出來,分析過程中使用的數據點數較少,帶來的問題就是細節丟失,在高頻分量不存在或非常弱的情況下容易出現局部失真。

3.4 壓力脈動特性與熱流脈動特性對比

如圖10～圖15所示,分別給出了3個流場條件下對應位置的1#ALTP 和7#PCB、3#ALTP和8#PCB 傳感器功率譜及與e 方法的對比。本節主要分析相同截面位置不同傳感器頻譜及與線性穩定性理論對比,因此頻譜分析Welch方法的采樣點取得比較多,使獲得的功率譜曲線圖能反映頻譜細節,以研究邊界層脈動特性。

圖15 流場3的3#ALTP 和8#PCB 功率譜與線性穩定性理論分析N 值對比Fig.15 PSD of 3#ALTP and 8#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 3

圖10和圖11中,流場1條件下ALTP傳感器測量區域邊界層是湍流流態,圖中壓力和熱流脈動頻譜都是湍流頻譜特性,沒有特別明顯的峰值頻帶；湍流條件下壓力頻譜圖中各頻率能量分布比較均勻,而熱流頻譜圖中隨頻率增大能量衰減比較明顯。

圖10 流場1的1#ALTP和7#PCB功率譜對比Fig.10 Comparison of PSD for 1#ALTP and 7#PCB in flow-field 1

圖11 流場1的3#ALTP和8#PCB功率譜對比Fig.11 Comparison of PSD for 3#ALTP and 8#PCB in flow-field 1

圖12和圖13中,流場2條件下ALTP傳感器測量區域邊界層是層流流態,兩種傳感器都測量得到了比較明顯的第二模態波頻譜,并且壓力脈動和熱流脈動頻譜以及線性穩定性理論計算結果基本吻合,第二模態波主頻在150 k Hz附近；另外線性穩定性理論計算結果沒有發現更高頻模態擾動波,300 k Hz附近的頻帶峰值是第二模態波的諧波。

圖12 流場2的1#ALTP 和7#PCB 功率譜與線性穩定性理論分析N 值對比Fig.12 PSD of 1#ALTP and 7#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 2

圖13 流場2的3#ALTP 和8#PCB 功率譜與線性穩定性理論分析N 值對比Fig.13 PSD of 3#ALTP and 8#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 2

圖14和圖15中,流場3條件下ALTP傳感器測量區域邊界層也是層流流態,但流場單位雷諾數更低,相同位置壓力傳感器沒有測到非常明顯的第二模態波擾動,或者說是在100～200 k Hz頻帶范圍內有擾動波存在現象；與熱流脈動對應看,熱流脈動在150 k Hz左右已經存在明顯的擾動波,而壓力脈動頻譜存在類似現象卻不凸顯；主要原因在于風洞試驗中背景擾動以壓力脈動為主、溫度或密度脈動相對較弱,導致ALTP 傳感器更容易捕捉模態的熱流脈動頻譜,而壓力傳感器在背景擾動干擾下無法凸顯第二模態。目前的線性穩定性理論是基于每個物理量波動參數均相等的前提假設,因此理論分析不能區分實驗中不同物理量的不同演化特征。

圖14 流場3的1#ALTP 和7#PCB 功率譜與線性穩定性理論分析N 值對比Fig.14 PSD of 1#ALTP and 7#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 3

另外,在圖12～圖15的熱流脈動頻譜圖中60 k Hz附近存在明顯尖峰脈沖,基本可以認定該信號為干擾信號；壓力脈動頻譜圖中相同頻帶也存在類似的干擾信號；但圖10和圖11流場1湍流條件下,相同頻帶的干擾信號不明顯(僅圖10中的壓力脈動頻譜圖中有),可能是湍流邊界層的強烈脈動把相關干擾信號淹沒了；流場建立前預采的數據中也存在60 k Hz附近的信號。

4 結 論

在中國空氣動力研究與發展中心?2 m 激波風洞(FD-14A)中,采用PCB132高頻脈動壓力傳感器和自研的ALTP高頻脈動熱流傳感器,對尖錐模型表面高頻壓力脈動和高頻熱流脈動進行測量,驗證自研的ALTP 熱流傳感器頻譜響應性能,并對激波風洞邊界層壓力脈動和熱流脈動特性進行對比了研究。

1)ALTP傳感器獲得的脈動熱流頻譜結果與PCB傳感器的脈動壓力頻譜結果以及線性穩定性理論計算結果基本吻合,4只ALTP 傳感器測量的頻率變化規律符合其安裝位置關系,基本可以證明自研的ALTP 高頻脈動熱流傳感器可用于高超聲速邊界層轉捩研究工作,下一步將改進ALTP傳感器靈敏度系數標定方式,獲得熱流脈動幅值結果,從而獲得擾動波放大因子。

2)高超聲速激波風洞尖錐模型熱流脈動特性表現出與壓力脈動特性不一樣的特點,湍流條件下壓力脈動的各頻率能量分布比較均勻,而熱流脈動隨頻率增大能量衰減比較明顯。

3)本次試驗在馬赫數10、單位雷諾數2.4×10/m 流場條件下,發現熱流脈動相對于壓力脈動更早凸顯出來,認為這主要是由于風洞背景擾動以壓力脈動為主、溫度或密度脈動較弱,熱流脈動信號相比壓力脈動受到的背景擾動干擾較小而更容易捕捉到模態信息；目前的線性穩定性理論是基于每個物理量波動參數均相等的前提假設,因此理論分析不能區分實驗中不同物理量的不同演化特征。

4)本次試驗條件下,熱流和壓力脈動在60 k Hz附近存在干擾信號,可能是風洞流場和數據采集系統帶來的干擾信號,這為該風洞的后續試驗設計指明了需要避開的陷阱。