跨聲速風洞槽壁試驗段流場品質提升措施研究

吳盛豪, 陳吉明, 陳欽, 裴海濤

(1.中國空氣動力研究與發展中心 空氣動力學國家重點實驗室, 四川 綿陽 621000；2.中國空氣動力研究與發展中心 設備設計及測試技術研究所, 四川 綿陽 621000)

近年來，在先進飛行器研制日趨精細化的要求下，作為提供飛行器設計最原始、最可靠依據的風洞試驗，對試驗數據的精細化及保真度都提出了更高的要求。尤其是在跨聲速試驗范圍內，流動是極為復雜且不穩定的，流場中既有亞聲速區又有超聲速區，氣動力和力矩都隨著馬赫數的變化而劇烈變化，進而為了得到更精準可靠的飛行器模型氣動力數據，對跨聲速風洞流場的穩定性和均勻性提出更為苛刻的要求。

與其他聲速范圍內的常規風洞相比，跨聲速風洞最顯著的特征是其試驗段采用通氣壁板，主要目的：①解決風洞的堵塞現象；②產生均勻的低超聲速流動；③減少或消除亞聲速洞壁干擾；④減少或消除激波反射的影響[1]?？缏曀亠L洞通氣壁試驗段常為開孔壁或開槽壁，各有優缺點，開孔壁試驗段國內使用較早，使用經驗也較為成熟。而開槽壁試驗段由于其在消除亞聲速洞壁干擾特性以及噪聲水平的獨特優勢，也日益被國內風洞使用機構所重視。

自20世紀40年代開始采用開槽壁試驗段建成跨聲速風洞，針對槽壁的設計就開展了大量的試驗與數值模擬研究工作，建成了以美國NTF和歐洲ETW為代表的跨聲速風洞。槽壁試驗段的研究目前主要有2個方面：

1) 槽壁試驗段洞壁干擾量的預測和修正方法。大部分研究所采用的方法為基于小擾動速度勢的有限基本解方法(或渦格法)，研究的重點是給出相對準確的洞壁邊界表達式。如Glazkov等對簡化的單槽道試驗段模型的流動特性進行了試驗和仿真計算研究，通過在T125風洞中的風洞試驗發現，試驗段存在明顯的橫向流動[2]；中國空氣動力研究與發展中心的劉光遠采用經典的理想槽壁均勻邊界條件和有限基本解方法，對民機標模的槽壁干擾特性進行了評估和修正[3]。同時隨著計算性能及CFD的進步，發展了可用于大迎角及出現明顯氣流分離現象時的非線性CFD計算法，如Atsushi等利用替代模型在JTWT風洞中對ONERA-M5模型進行了仿真計算[4-5]，Maseland等在DNW-HST中針對DLR-F4模型進行了仿真計算分析[6]。

2) 槽壁試驗段流場品質的影響因素。由于國外風洞起步及使用槽壁試驗段較早，此類研究開展的也較早，如Wright等用試驗方法在蘭利8英尺風洞中研究了開槽外形對低超聲速和高亞聲速流動均勻性的影響[7]；Nelson研究了開槽寬度、深度、外形、間距對馬赫數分布的影響[8]；Steinle對美國國家風洞綜合體(NWTC)提出的可變開閉比的差阻型槽壁試驗段的流向角、洞壁特性及噪聲水平等進行了系統研究[9]。國內近些年由于新建大型跨聲速風洞采用開槽壁試驗段的切實需求，為獲得流場品質更優的槽壁試驗段，國內科研機構開展了系列研究，鞠煉等開展了槽壁幾何參數對跨聲速風洞流場品質的影響研究，探究了試驗段流場品質惡化的誘因，同時采用優化設計方法得到了更優的開槽形狀[10]；叢成華、楊小川分別對噴管段、槽壁試驗段等風洞高速段的仿真計算方法進行了研究，對槽壁試驗段流動特性進行了研究，同時對不同槽型、抽氣量等的影響進行對比[11-13]。

為降低大型連續式跨超聲速風洞設計建設風險，中國空氣動力研究與發展中心(CARDC)建造了0.6 m連續式跨聲速風洞(以下簡稱0.6 m風洞)，同時配備了槽壁試驗段，風洞建成后的第一期調試過程中發現在低超聲速流動狀態下槽壁試驗段內的軸向馬赫數分布均勻性較差(即沿試驗段軸線方向馬赫數波動較大)，本文利用仿真計算對馬赫數的波動原因進行了分析，提出了改進措施，并通過試驗對改進措施的效果進行了驗證，最終使得0.6 m風洞流場均勻性指標達到了國際先進水平。

1 0.6 m風洞槽壁試驗段前期調試試驗結果

1.1 風洞簡介

0.6 m風洞是一座由軸流式壓縮機驅動的變密度連續式跨聲速風洞，風洞設計方案采用了寬工況壓縮機驅動系統、半柔壁噴管、指片再入調節片式主流引射縫、高性能換熱器和三段調節片加可調中心體式二喉道等新型技術，回路示意圖見圖1。

圖1 0.6 m風洞實物圖

風洞試驗段截面尺寸為0.6 m×0.6 m，穩定段總壓范圍為(0.15～2.5)×105Pa，通過變換噴管型面，配合使用駐室抽氣系統和主流引射，可實現試驗段馬赫數范圍0.2～1.6。風洞前期配備的槽壁試驗段采用上下壁開6條槽(10%固定開閉比)、左右實壁板方案[14]。

1.2 槽壁試驗段前期調試試驗結果

0.6 m風洞建成之后，開展了風洞的總體性能調試，獲取了風洞安全運行邊界及總體性能，同時根據GJB1179A-2012的要求，采用軸向靜壓探測管對試驗段沿程的核心流馬赫數進行了系統測試[15]，如圖2所示。測試選用PSI9116掃描閥測量穩定段總壓和各測點靜壓，掃描閥最大量程為103.42 kPa，最大可能偏差0.05%，各靜壓測管長度保持一致。

圖2 軸向靜壓探測管示意圖

試驗段核心流馬赫數Ma,馬赫數均方根偏差σMa,分別由(1)、(2)式給出

(1)

(2)

式中:p0為穩定段總壓,Pa;p為測點靜壓,Pa;n為模型區內測點總數;Mai為模型區內第i測點的馬赫數。

圖3給出了風洞原配備的槽壁試驗段軸向馬赫數分布測量結果,結果顯示:當試驗段Ma>1.0時,試驗段內軸向馬赫數波動較大,模型區均方根偏差σMa>0.008,未達到設計指標要求(Ma>1.0時,σMa≤0.002～0.008)。

結合風洞槽壁試驗段的結構特點及低超聲速下核心流軸向馬赫數分布特點,初步分析可能存在以下2個原因致使試驗段馬赫數的波動較大:①槽壁試驗段采用6條槽,10%開閉比的設計方案,開閉比較大,致使試驗段入口膨脹波較強,引起主氣流過膨脹;②為滿足噴管和試驗段法蘭盤連接的需求,在試驗段入口處結構框架設置了100 mm的平直段,致使從噴管到試驗段的型面曲線曲率不連續,產生了弱激波。為了驗證上述推斷,對風洞高速段進行數值分析,并制定了改進措施。

2 數值模擬分析

2.1 開閉比的影響

0.6m風洞原槽壁試驗段上下壁板采用6條槽,10%固定開閉比方案,如圖4所示。前端是100 mm的水平平直段(角度不可調),而后是100 mm的三角加速區。為分析槽壁試驗段內流場波動結構,探究試驗段馬赫數波動的原因,對0.6 m風洞高速段開展了數值仿真計算。

1) 模型及網格

為更真實地模擬槽壁試驗段內流動狀況,數值模擬過程盡可能多地保留風洞高速段內結構特征,計算域包括:風洞穩定段、噴管段、槽壁試驗段、支架段、再入段、高速擴散段及駐室。同時考慮到槽壁試驗段計算的復雜性,在實際計算中,對主流影響較小的結構件進行了合理簡化,扣除了彎刀支架深入駐室的部分,駐室長度適當縮減,未包裹風洞噴管段。計算中試驗段壁板擴開角0°、再導入調節片偏角0°,駐室無主動抽氣處理?？紤]計算能力的限制,以及風洞試驗段流動的對稱性,模型可視為上下、左右對稱,因此選取了四分之一模型作為計算域,計算網格為全域對接的結構網格,如圖5所示。對流道內邊界層以及槽道、再入段等流動變化劇烈的區域進行加密,整個計算域網格量約為3 000萬。

圖5 槽壁試驗段模型及網格示意圖

2) 計算方法及邊界條件

采用三維非定常雷諾平均Navier-Stokes方程進行數值分析,控制方程的形式為

(3)

式中:Q為守恒變量;F(Q)與G(Q)分別為無黏通量項與黏性通量項;為控制體;?Ω為控制體邊界。流場求解中使用有限體積法,空間離散格式采用二階迎風Roe格式,湍流模型使用k-ω SST模型。

邊界條件方面,選擇壓力進出口邊界,入口給定總壓p0,即穩定段總壓,為與試驗結果進行對比,p0選擇試驗常用壓力100 kPa,出口給定背壓pb,計算過程中通過不斷調整背壓,得到預定馬赫數結果。

3) 仿真結果驗證與分析

監測風洞進出口流量及模型區馬赫數作為收斂判據,為與試驗結果進行比較,通過調整背壓,使得試驗段核心流馬赫數接近1.1。選擇與數值仿真計算的相同條件下的試驗結果進行對比分析。

圖6給出了數值仿真計算得到的10%開閉比的槽壁試驗段核心流沿軸向的馬赫數分布與試驗結果的對比。對比結果顯示,數值仿真得到的軸向馬赫數分布與試驗結果吻合度較好,馬赫數分布波動的幅度及波峰、波谷一致性也較好,說明本文所采用的數值仿真計算方法可以作為評估槽壁試驗段馬赫數軸向波動的有效手段。

圖6 槽壁試驗段軸向馬赫數分布數值仿真與試驗結果對比(10%開閉比)

為進一步分析槽壁試驗段流場結構及流動建立過程,圖7給出了試驗段中心的槽內縱截面的靜壓分布云圖及部分流線分布情況,從圖中可以推測出,槽壁試驗段低超聲速流動的建立過程:從試驗段到支架段由于面積比的變化,氣流流動機理類似于引射器工作原理,試驗段主氣流是引射氣流,駐室氣體為被引射氣流,由于被引射氣流流道面積較小,駐室內氣流靜壓被抽至低于主氣流靜壓,而后由于靜壓差,試驗段內部分氣流流入駐室同時主氣流加速,此過程是動態迭代過程,直至主流馬赫數與運行壓力比匹配。結合槽壁試驗段流動機理及圖7,可以看出,由于試驗段與駐室內的靜壓差,試驗段內的主氣流主要集中在槽道前部流入駐室,槽道后部由于主氣流被加速靜壓降低,試驗段與駐室的壓差變小,流量交換很少。

圖7 沿槽縱截面靜壓分布云圖 圖8 試驗段中心縱截面密度梯度分布云圖

由于主氣流主要通過槽道前部進入駐室內,如果試驗段開閉比較大且加速區設置不合理,將導致進入駐室內的氣流過快、過多,進而在試驗段入口處產生較強的膨脹波。為更好展示試驗段內的波系結構,圖8給出了試驗段中心處縱截面上的密度梯度分布云圖,從圖中可以看出在試驗段入口處產生較強膨脹波,膨脹波在試驗段內不斷反射,進而引起了試驗段內馬赫數分布的波動。

2.2 型面曲率不連續的影響

0.6 m風洞前期結構設計,為滿足噴管段法蘭盤與試驗段連接的需要,在試驗段入口處結構框架設置了長度100 mm的平直段(實壁),如圖9所示,導致當試驗段壁板調節擴開角時,噴管與通氣壁板間內壁面曲率不連續,存在折角,進而產生擾動波,是造成試驗段在低超聲速馬赫數波動的原因之一。同樣采取仿真計算方法對該影響進行評估。

圖9 噴管段與試驗段連接型式示意圖

1) 網格及邊界條件

由于2.1節中描述的槽壁試驗段會在試驗段入口處產生較強的膨脹波,為了有效評估型面曲率不連續的影響,本節仿真評估采用實壁試驗段模型,且0.6 m風洞配備有實壁試驗段運行馬赫數1.5,1.6,為便于試驗和仿真計算結果的對比,仿真評估的試驗段馬赫數選擇1.5。

由于流動的對稱性,計算域選擇四分之一模型計算網格為全域對接的結構網格,如圖10所示。對流道內邊界層進行加密,整個計算域網格量約為600萬。邊界條件方面,選擇壓力進出口邊界,入口給定總壓p0,即穩定段總壓,為與試驗結果進行對比,p0選擇試驗常用壓力100 kPa,由于型面曲線選擇Ma1.5的型面,出口給定一個較低的背壓能夠建立穩定流場即可。其他條件設置與槽壁試驗段類似。

圖10 實壁試驗段模型及網格

2) 仿真結果分析

圖11給出了采用平直段連接方式的噴管和試驗段內密度梯度分布云圖,從圖中可以看出,由于連接處存有折角,產生了一道較強的激波,經壁面連續反射影響了試驗段內流場品質。對于槽壁試驗段來說,雖然開槽壁具有一定的消波能力,但是折角處產生的激波較為集中,難以有效消除,對模型區馬赫數分布可能產生不利影響。

圖11 試驗段密度梯度分布云圖(平直板連接)

3 槽壁試驗段改進措施設計

3.1 降低槽壁試驗段開閉比

由2.1節的數值仿真結果分析可知,0.6 m風洞前期調試采用的10%開閉比的槽壁試驗段,在試驗段入口處形成了較強的膨脹波,引起了試驗段內馬赫數的波動。從圖6、圖8的波動規律,也可看出,隨著到試驗段入口距離的增加,波動逐漸減弱,因此如果增加試驗段長度,也可獲得馬赫數分布更為均勻的模型區,但由于0.6 m風洞已建成,且考慮到現有槽壁試驗段標模試驗中洞壁干擾特性的表現,擬通過降低槽壁試驗段開閉比的方式,改善試驗段核心流馬赫數分布的均勻性。

新設計加工的槽壁板采用上下壁板采用6條槽,6%固定開閉比方案如圖12所示,為驗證新設計槽壁試驗段效果,采用2.1節中數值仿真方法,重新建模計算。

圖12 新槽壁試驗段上下壁板板示意圖(6%開閉比)

圖13給出相同條件下(壁板擴開角0°、再導入調節片偏角0°、無駐室抽氣)2種開閉比下槽壁試驗段密度梯度分布云圖對比,從分布圖中可以明顯的看出,相較于10%開閉比的原槽壁,新設計的6%開閉比的槽壁入口膨脹波強度顯著減弱,同時后續反射波的波強也隨之減弱,有利于改善試驗段內的馬赫數波動。

圖13 槽壁試驗段密度分布云圖

圖14給出了不同開閉比下軸向馬赫數分布的數值仿真結果對比,圖中更直接地看出新設計6%開閉比的槽壁試驗段內的馬赫數波動改善明顯。

圖14 軸向馬赫數分布數值仿真結果對比 圖15 噴管與試驗段連接型式示意圖 圖16 試驗段密度梯度分布云圖對比

3.2 改進噴管段和試驗段連接型式

為解決噴管和試驗段連接處曲率不連續的問題,擬將圖9所示的平直板連接方式更改為圖15所示彈性板連接板。

利用3.1節所述數值仿真計算方法,對彈性板連接方式在實壁板、Ma1.5工況下的流場波動進行模擬,圖16給出了平直板連接和彈性板連接試驗段密度梯度分布云圖對比,圖中可以看到采用彈性板連接將平直段連接折角處產生的一道較強的激波優化為一系列較弱的激波,將更有利于槽壁試驗段消除激波。

4 設計方案優化試驗驗證

依據上述提出的改進措施,新設計加工0.6 m風洞槽壁試驗段試驗件,噴管段與試驗段采用彈性板連接,上下槽壁板采用6條槽、6%開閉比方案,實物見圖17。試驗調試采用與第一期相同的試驗條件,采用軸探管對試驗段核心流馬赫數分布進行了測量,圖18給出了槽壁試驗段改造前后部分核心馬赫數軸向分布對比,圖19給出了改造前后模型區內馬赫數均方根偏差對比,從結果可以看出,改進后的槽壁試驗段在亞聲速時試驗段核心流馬赫數分布均勻性與原試驗段基本一致,而在低超聲速時馬赫數分布波動變小、均勻性明顯改善。

圖17 改造后試驗段壁板實物圖 圖18 槽壁試驗段改造前后核心馬赫數分布對比 圖19 槽壁試驗段改造前后核心核心馬赫數分布對比 馬赫數均方根偏差對比

5 結 論

為改善0.6 m連續式跨聲速風洞槽壁試驗段低超聲速流動狀態下馬赫數分布的均勻性,通過數值仿真和試驗結合的手段,分析了引起試驗段內馬赫數波動的原因,制定并驗證了改進措施,研究工作可以得出以下結論:

1) 槽壁試驗段通過主流引射作用產生低超聲速流動過程中,由于試驗段與駐室內的壓差,試驗段段內的主氣流主要從槽道前部流入駐室;

2) 試驗主氣流流入駐室過程中,產生膨脹波,波強與壁板開閉比直接相關,并在槽壁試驗段內不斷反射、衰減,如果開閉比和試驗段選擇不匹配,會導致試驗段模型區內的馬赫數均勻性較差;

3) 噴管段和試驗段連接處曲率不連續的點,會產生一道擾動波,并在試驗段內不斷反射。利用彈性板連接,可將擾動波優化為一系列較弱的波,更有利于反射波在槽壁試驗段的消除;

4) 保持風洞槽壁試驗段長度不變的情況下,合適的開閉比與槽數選取,噴管和試驗段采用彈性板連接,可顯著改善低超聲速流動的馬赫數均勻性。