高速風洞擺動葉片式陣風發生器非定常流場數值模擬與試驗驗證

張穎，劉南

中國航空工業空氣動力研究院 高速高雷諾數氣動力航空科技重點實驗室，沈陽 110034

0 引 言

現代飛機，如軍用和民用運輸機、高空長航時無人機、遠程轟炸機等，為了追求較高的氣動效率和較低的結構重量，通常采用大展弦比機翼，在結構材料上大量使用復合材料，具有較大的柔性，這使得飛機在跨聲速階段的陣風問題凸顯。陣風載荷，特別是垂直離散陣風載荷，有可能成為飛行載荷中最嚴重的載荷。因此，準確預測陣風載荷并采取一定措施進行減緩控制通常是飛機設計階段的一項重要工作[1-5]。

陣風風洞試驗是進行飛行器陣風響應特性和陣風載荷減緩控制技術研究的重要手段之一，而陣風發生器是開展陣風試驗的重要設施。在高速陣風發生器的設計和研制方面，具有代表性的英國ARA 和美國NASA 均在其大型連續式跨聲速風洞上配備了陣風發生器，如英國ARA TWT 風洞的尾緣吹氣式陣風發生器[4]以及美國TDT 風洞的擺動葉片式陣風發生器[5]。尾緣吹氣式陣風發生器無運動部件，無慣性載荷，控制精度高，可以產生頻率較寬和形式多樣的陣風，但由于其尾緣射流通過大規模電磁閥進行控制，葉片內部結構復雜，控制系統龐大，代價高，實現難度較大。擺動葉片式陣風發生器機械結構和控制形式相對簡單，代價較低，可以通過葉片的機械擺動在葉片下游產生正弦周期性變化的陣風速度場。利用該陣風發生器，TDT 風洞針對多種型號飛機（如B-52E 飛機、C-5A 飛機、傳感器飛機以及超聲速民機等）開展了大量的陣風響應及減緩控制研究工作，為飛機設計過程中陣風響應和載荷減緩控制律設計奠定了良好的基礎[5-10]。

國內在陣風試驗技術研究方面起步相對較晚，且大多數研究局限于低速領域[11-14]，大型高速風洞沒有配備陣風發生器，尚不具備陣風試驗能力，而高速巡航階段的陣風響應對飛行安全影響極大，因此有必要開展高速風洞陣風試驗能力建設。

陣風發生器作為陣風試驗系統的重要組成部分，其設計難點主要在于：1）陣風發生器形式選擇；2）陣風發生器氣動設計。影響陣風發生器氣動性能的參數眾多，如葉片截面形狀、弦長、展長、數量、間距等，需要進行多參數優化迭代以使其性能達到最優，同時還要兼顧葉片的剛、強度要求。本文在綜合考慮國外高速風洞2 種常用形式陣風發生器優缺點的基礎上，采用自研ENSMB 流場計算軟件對擺動葉片式陣風發生器設計方法進行了探索性研究。依托中國航空工業空氣動力研究院0.6 m 連續式跨聲速風洞（以下簡稱FL-61 風洞）建立了一套擺動葉片式陣風發生器，并進行了陣風流場校測試驗，分析了該陣風發生器下游陣風速度場形成機理及分布特性，重點開展了葉片擺動頻率和最大擺動幅值等參數對葉片下游陣風速度幅值影響規律研究。

1 擺動葉片式陣風發生器

擺動葉片式陣風發生器采用單葉片等直機翼形式，葉片垂直安裝于風洞噴管入口的上壁面（圖1）。葉片截面形狀為NACA0012 翼型，弦長0.2 m，展長0.2 m（圖2）。通過電機驅動曲柄搖桿機構帶動陣風發生器葉片繞1/4 弦線做周期性正弦運動（圖3），進而在葉片下游產生正弦形式的周期性陣風速度場。葉片能實現的擺動頻率f 和最大擺動幅值Amax范圍分別為f=0～20 Hz，Amax=?20°～20°。數值計算模型包括風洞收縮段、噴管段、試驗段以及陣風發生器葉片，如圖4 所示。

圖1 陣風發生器在風洞中的安裝示意圖Fig. 1 Gust generator mounted in the tunnel

圖2 陣風發生器結構示意圖Fig. 2 Structure of gust generator

圖3 陣風發生器驅動機構示意圖Fig. 3 Driven mechanism of gust generator

圖4 計算模型Fig. 4 Computational model

2 數值模擬方法

2.1 計算網格

計算采用結構化N–S 網格進行，網格單元總數約407 萬，節點總數約412 萬。葉片周圍邊界層第一層網格高度為葉片弦長的十萬分之一。為了更好地捕捉葉片后方陣風場，對葉片后方重點關注區域的網格沿流向進行了局部加密，如圖5 所示。圖中：x 軸沿氣流方向，向后為正；y 軸沿葉片展長方向，向上為正；z 軸符合右手坐標系定則；坐標原點為噴管入口端的風洞中心點。

圖5 計算網格Fig. 5 Computational grid

2.2 計算方法

本文采用中國航空工業空氣動力研究院自研的ENSMB 流場計算軟件[15-16]求解三維可壓縮非定常N–S 方程，湍流模型選用k–ωSST 模型，空間方向采用二階迎風格式進行離散，時間方向采用雙時間方法進行離散，時間步長的選取與葉片擺動頻率相關，一個周期T 內進行1000 次外迭代，計算總時長為5 個周期。

圖6 為來流馬赫數Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°工況下，采用不同內迭代步計算得到的陣風速度特性對比。圖中t 為計算時間，v 為陣風速度，I 為內迭代步，vgust為陣風速度幅值。陣風速度幅值vgust的定義如下：

圖6 不同內迭代步下陣風速度特性對比Fig. 6 Comparison of gust velocity characteristics with different iteration steps

式中，vmax和vmin分別為一個周期內陣風速度的峰值和谷值。從圖中可以看出，在時間步長保持一致的條件下，不同內迭代步計算得到的陣風速度幅值幾乎無差異。考慮計算效率問題，本文的內迭代步設置為10 步。

計算時的邊界條件設置如下：風洞入口設置為總溫總壓邊界條件；風洞出口設置為壓力出口邊界條件；風洞壁面和陣風發生器葉片均設置為黏性無滑移壁面。陣風發生器葉片繞1/4 弦線位置按正弦規律做周期性運動，其方程為：

式中，A（t）為葉片的瞬態擺角。

葉片的運動通過動網格方式實現，為了提高網格的變形效率和質量，采用Radial Basis Function（RBF）和Linear Transfinite Interpolation （TFI）混合方式進行。

3 結果及分析

本文重點開展了葉片擺動頻率和最大擺動幅值對葉片下游陣風速度幅值的影響規律研究，并與試驗結果進行了對比分析。計算狀態設置為Ma=0.5，Amax=2°～18°，f=2～20 Hz。

為便于分析葉片后方陣風場，在葉片后方選取124 個監測點（沿x 軸布置4 列，沿y 軸布置31 行），具體位置如圖7 所示。監測點的x 軸坐標分別為x=2.75 、3.55 、4.25 、4.75 m，監測點的y 軸坐標位于–0.30～0.30 m 之間，間隔0.02 m。監測點編號記為Pij，下標i 為監測點所處的列號，下標j 為監測點所處的行號。為與試驗進行對比，本文僅對圖7 中第二列（x=3.55 m）監測點位置處的陣風速度特性進行分析。

圖7 監測點示意圖Fig. 7 Monitor point

3.1 陣風速度特性分析

對Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°典型工況進行分析。圖8 給出了該工況一個周期內垂直方向的陣風速度云圖。圖9 給出了該工況葉片下游陣風速度特性曲線。圖9（a）為葉片下游某一監測點（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風速度的時間歷程曲線。圖9（b）為陣風速度幅值沿葉片展向分布曲線，其中虛線為葉片所在位置。從圖9 中可以看出，葉片的周期性正弦擺動使得在其下游產生正弦周期性變化陣風速度場，陣風速度場頻率與葉片擺動頻率一致。結合圖8 可以看出，葉片尾渦是葉片下游陣風速度產生的原因之一，陣風速度幅值沿葉片展長方向存在較大波動。圖9（c）為不同流向位置陣風速度幅值對比，從圖中可以看出，隨著x 的增大，陣風速度幅值呈減小趨勢。

圖8 一個周期內陣風速度云圖Fig. 8 Contours of computed amplitude of vertical gust velocity

圖9 陣風速度特性曲線Fig. 9 Characteristics of gust field

3.2 參數影響分析

圖10 給出了Ma=0.5 時，葉片下游某一監測點（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風速度幅值與葉片擺動頻率和最大擺動幅值的關系曲線。從圖10（a）中可以看出，同一葉片擺動頻率（f=4 Hz）下，陣風速度幅值隨葉片最大擺動幅值的增大呈先增大然后基本不變的趨勢，當Amax=10°時（即葉片失速迎角附近），陣風速度幅值達到最大，10°之后陣風速度幅值基本保持不變，這可能是葉片最大擺動幅值增大時葉片失速所致。從圖10（b）和（c）中可以看出，同一葉片最大擺動幅值（Amax=6°）下，葉片擺動頻率改變導致葉片下游陣風速度頻率改變，而陣風速度幅值隨葉片擺動頻率變化很微弱，呈略微減小趨勢，擺動頻率f 從2 Hz 增大至20 Hz，陣風速度幅值僅減小3%左右。

圖10 不同擺動頻率和最大擺動幅值下的陣風速度特性曲線Fig. 10 Characteristics of gust field under different oscillating frequency and maximum oscillating amplitude

3.3 計算與試驗對比分析

利用該陣風發生器，在FL-61 風洞進行了陣風流場校測試驗，通過熱線叉絲探頭對葉片下游中心點處（x=3.55 m）的流場進行了測量。

圖11 給 出 了Ma=0.5，Amax分 別 為6°和10°、f 分別為2 和4 Hz 這4 種工況下，計算和試驗所得的陣風速度時間歷程曲線對比。從圖中可以看出，計算和試驗結果規律一致，吻合較好，試驗測得陣風速度幅值略微偏大。

圖11 計算結果與試驗結果對比Fig. 11 Comparisons of calculated gust velocity with experimental data

4 結 論

采用數值模擬方法對FL-61 風洞擺動葉片式陣風發生器陣風速度特性進行了研究，并在風洞中開展了陣風流場校測驗證試驗，計算結果與試驗結果吻合較好，主要結論如下：

1）本文的擺動葉片式陣風發生器能夠在葉片下游產生周期性變化的陣風場，葉片擺動頻率范圍為0～20 Hz。

2）葉片最大擺動幅值是影響陣風速度幅值的一個主要因素。隨著葉片最大擺動幅值的增大，陣風速度幅值呈先增大趨勢，在葉片失速迎角附近（即最大擺動幅值為10°時）陣風速度幅值達到最大，之后無明顯變化。

3）葉片擺動頻率僅影響葉片下游陣風速度頻率，對陣風速度幅值的影響較為微弱，呈略微減小趨勢，葉片擺動頻率從2 Hz 增大至20 Hz，陣風速度幅值減小僅3%左右。

綜上所述，本文所設計的陣風發生器可以在葉片下游產生較為理想的陣風場，陣風發生器設計合理。后續將進行更多來流馬赫數、葉片擺動頻率和最大擺動幅值下的陣風速度特性研究。