金 華，王 輝，張海酉，陳 鵬，楊遠(yuǎn)志

（1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西西安 710072； 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

FL－13風(fēng)洞突風(fēng)發(fā)生裝置研究

金 華1，＊，王 輝2，張海酉2，陳 鵬2，楊遠(yuǎn)志2

（1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西西安 710072； 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

為在FL－13風(fēng)洞中開展飛機(jī)全模突風(fēng)響應(yīng)試驗研究，建立研究所需的突風(fēng)發(fā)生裝置，進(jìn)行了突風(fēng)發(fā)生裝置的研究。研究中，從大飛機(jī)突風(fēng)試驗需求出發(fā)，確定了裝置的技術(shù)指標(biāo)，通過數(shù)值模擬計算，固化了裝置技術(shù)指標(biāo)；通過引導(dǎo)性試驗和總體方案對比，選定了單電機(jī)驅(qū)動雙飛輪及曲柄連桿方案；通過動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析、模態(tài)分析和疲勞分析，解決了裝置共振、剛度增加困難和安裝空間受限等問題；通過裝置調(diào)試與突風(fēng)流場考核結(jié)果表明，研制的FL－13風(fēng)洞突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置實現(xiàn)了在來流40m／s的風(fēng)速范圍內(nèi)按正弦規(guī)律變化產(chǎn)生突風(fēng)，模型中心處最大突風(fēng)振幅達(dá)到9m／s。突風(fēng)流場的成功模擬，標(biāo)志著FL－13風(fēng)洞具備了開展大展弦比飛機(jī)突風(fēng)響應(yīng)影響試驗研究的能力。

低速風(fēng)洞；突風(fēng)響應(yīng)；突風(fēng)裝置；風(fēng)洞試驗；試驗技術(shù)

0 引 言

在大氣中飛行的飛機(jī)經(jīng)常會受到突風(fēng)（或稱陣風(fēng)）和大氣湍流干擾，形成附加的氣動載荷和機(jī)翼彈性模態(tài)振動，影響到飛機(jī)的操縱特性和安全以及飛機(jī)乘員乘坐的舒適程度（乘坐品質(zhì)）。雖然突風(fēng)響應(yīng)不像顫振那樣具有極其強(qiáng)烈的破壞性，但其引起的脈動載荷對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的極限載荷、疲勞壽命和飛行動穩(wěn)定性都有很大影響，極端情況下影響飛機(jī)的安全起降，造成機(jī)毀人亡的后果［1］。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)性能要求不斷提高，機(jī)翼結(jié)構(gòu)呈低結(jié)構(gòu)重量、大柔性趨勢發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致突風(fēng)影響更加復(fù)雜［2－3］。

根據(jù)CCAR 25（中國民用航空規(guī)章第25部，運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)）中關(guān)于突風(fēng)和湍流載荷的突風(fēng)模型的要求：

式中：s為進(jìn)入突風(fēng)區(qū)的距離；

Uref為參考突風(fēng)速度，具體取值從海平面處的17.07 m／s到15 200m高空的7.92m／s；

R1為最大著陸重量／最大起飛重量；

R2為最大零燃油重量／最大起飛重量；

Zmo為最大使用高度；

H 為特征長度，例如受突風(fēng)作用的飛機(jī)機(jī)翼的平均氣動弦長。

結(jié)合伊爾－76、ARJ21和波音747飛機(jī)參數(shù)［4］，得出最大突風(fēng)速度6m／s，最高頻率15Hz即可滿足大型飛機(jī)突風(fēng)響應(yīng)研究的需求。

為減小突風(fēng)影響，通常采用主動控制技術(shù)控制操縱面偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)突風(fēng)減緩［5－7］。國內(nèi)研究主要是采用不同的控制理論設(shè)計突風(fēng)減緩控制律，在MATLAB平臺上進(jìn)行仿真［8－14］。確定突風(fēng)載荷是開展突風(fēng)減緩研究的關(guān)鍵，通常需要進(jìn)行突風(fēng)響應(yīng)風(fēng)洞試驗或數(shù)值計算。在數(shù)值計算方面，主要有頻域計算和時域計算兩種方法。頻域計算方法是計算頻域上若干離散頻率的非定常氣動力［15］，但這種氣動力模型往往只能計算諧振蕩情況下的氣動力，很難考慮到非線性帶來的影響［16］。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了在時域內(nèi)直接模擬突風(fēng)響應(yīng)的方法［17－20］。在風(fēng)洞試驗方面，目前國內(nèi)主要在3米量級風(fēng)洞建立了突風(fēng)響應(yīng)試驗?zāi)芰?，為了更好地開展突風(fēng)響應(yīng)研究，十分必要在8米量級風(fēng)洞建立突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置［3，11］。本文介紹的內(nèi)容即是在FL－13風(fēng)洞的突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置的建設(shè)情況，包括前期的數(shù)值仿真、裝置的結(jié)構(gòu)分析以及裝置建成后的突風(fēng)流場校核等。

1 數(shù)值模擬

1.1 模擬方法

本文采用商用流體計算軟件FLUENT進(jìn)行突風(fēng)試驗裝置性能的模擬計算。

計算中，考慮到突風(fēng)試驗裝置沿展向的一致性，將模擬計算簡化為二維模式；使用ICEM生成整體尺寸為15.5m×6m的FL－13風(fēng)洞突風(fēng)試驗裝置在試驗段中的縱剖面網(wǎng)格；出于計算效率和模擬效果的綜合考慮，計算網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格（即在葉柵壁面和風(fēng)洞壁面采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行加密以確保近壁面網(wǎng)格滿足非平衡壁面函數(shù)的要求，在空間流場中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）。

數(shù)值計算中，使用動網(wǎng)格方法驅(qū)動葉柵繞自身25%弦長位置擺動，擺幅和轉(zhuǎn)動頻率通過UDF文件控制，壓強(qiáng)－速度耦合方法選用SIMPLE，差分格式使用Fluent默認(rèn)格式，并采用雙時間步長法進(jìn)行非定常計算。流場入口采用速度入口條件，出口采用壓力出口條件，湍流模型采用二階RNGk－ε湍流模型，網(wǎng)格總數(shù)為24萬。

1.2 方法驗證

采用上述數(shù)值模擬方法，對FL－12風(fēng)洞的突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置典型試驗狀態(tài)進(jìn)行驗證性二維CFD模擬（見表1）。

表1 突風(fēng)幅值對比Table 1 Contrast on maximal speed of gust field

驗證性模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法對該類型突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置運(yùn)行過程具有良好的模擬能力，同時也證實了二維CFD模擬可以滿足三維風(fēng)洞環(huán)境下突風(fēng)幅值分析的需要。

1.3 模擬分析

首先，利用數(shù)值模擬方法，對擺動葉片弦長與構(gòu)型進(jìn)行了選擇（見圖1和表2），通過對比將3排0.5m弦長NACA0018翼型葉片作為優(yōu)選方案。

表2 葉片構(gòu)型對比Table 2 Configuration comparison of blade

在選定方案的基礎(chǔ)上分別對突風(fēng)流場正弦特性、模擬范圍和擺動葉柵安放位置進(jìn)行了分析（見圖2）。鑒于FL－13風(fēng)洞飛機(jī)全模長度在4m左右以及第二試驗段轉(zhuǎn)盤直徑為6m的實際，初步將模型中心定在擺動葉柵（以擺動葉柵的轉(zhuǎn)軸軸心為原點）下游5m處。

圖1 葉片弦長對突風(fēng)幅值的影響Fig.1 Maximal speed effect on splitter chord length

圖2 流態(tài)分析曲線Fig.2 Curve of flow patterns analysis

針對風(fēng)洞中心（葉柵下游x＝5m）所形成的Y向速度在受來流風(fēng)速、葉柵擺幅及擺動頻率影響的規(guī)律進(jìn)行了分析（見圖3）。通過分析，建議裝置的設(shè)計參數(shù)為葉柵最大擺動頻率15Hz、最大擺幅30°。

圖3 突風(fēng)流場控制參數(shù)影響Fig.3 Effect on control parameter of gust field

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計難點

經(jīng)過計算論證及現(xiàn)場安裝條件勘查，F(xiàn)L－13風(fēng)洞突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置具有尺寸大、質(zhì)量較大、運(yùn)動頻率高和安裝空間受限等特點。

由于裝置的擺動葉柵尺寸較大、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量較大、且擺動頻率高，使得通過擺動葉柵及連桿組高頻運(yùn)動所產(chǎn)生交變動載荷很大，工況惡劣，零部件易發(fā)生疲勞失效。同時，受風(fēng)洞堵塞度和洞體固定條件限制，無法選取最優(yōu)支撐形式，導(dǎo)致裝置固有頻率較低，剛度增強(qiáng)較為困難。

2.2 解決措施

裝置設(shè)計中，針對容易出現(xiàn)的裝置共振、裝置剛度、疲勞失效和空間受限等問題采取了相應(yīng)措施進(jìn)行解決。

四川竹編以精細(xì)見長，色彩清雅，大多為實用工藝品，其中成都的瓷胎竹編、自貢的竹編龔扇、梁平(重慶)的竹絲畫簾、渠縣的竹編字畫都是竹編工藝中一顆顆璀璨的明珠。

圖4 裝置模態(tài)分析Fig.4 Modal analysis of the structure

表3 模態(tài)分析結(jié)果Table 3 Results of modal analysis

在裝置共振問題上，通過開展振動特性分析（見圖4和表3）表明，系統(tǒng)在固支底部的情況下，最小固有頻率在4.44Hz，而機(jī)構(gòu)運(yùn)動頻率在0～15Hz，減振措施必須考慮；同時，由于系統(tǒng)的傳動特點，第一階的抗扭（前后彎曲）影響最大，進(jìn)而為輔助加固裝置設(shè)計提供指導(dǎo)；通過采用獨立基礎(chǔ)設(shè)計，避免裝置與洞體發(fā)生共振；通過地面調(diào)試，事先確定共振區(qū)間；通過裝置振動特性監(jiān)測，確保裝置運(yùn)行正常。

在裝置剛度問題上，通過分段設(shè)計，降低葉柵加工強(qiáng)度要求；通過采用轉(zhuǎn)動軸與葉柵分離設(shè)計，將葉柵的繞軸轉(zhuǎn)動通過軸承聯(lián)接實現(xiàn)，進(jìn)而增加機(jī)構(gòu)支架剛度；通過葉柵蒙皮和骨架采用T700碳纖維復(fù)合材料，內(nèi)部填充聚氨酯泡沫的加工方式，達(dá)到降低葉柵質(zhì)量的目的；通過在支撐立板下半部采用4根修形斜撐桿和4根下部橫撐桿連接，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度提升的目的；通過在立板外側(cè)預(yù)制安裝連系梁和張線系統(tǒng)的螺紋接口，達(dá)到方便提升機(jī)構(gòu)支架剛度的目的。最后，通過對突風(fēng)機(jī)構(gòu)的整體有限元強(qiáng)度進(jìn)行了計算，計算時整體風(fēng)載按55m／s風(fēng)速考慮，其結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點在橫梁及橫梁與立柱連接區(qū)域，為291.76MPa，在293MPa許用應(yīng)力（裝置材料選用16Mn）水平內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

在疲勞失效問題上，通過動力學(xué)載荷分析，優(yōu)化機(jī)構(gòu)載荷；通過對主要受載零部件進(jìn)行疲勞分析（見圖5），防止部件疲勞失效。設(shè)計中，針對最惡劣的載荷工況對長連桿、搖桿和曲柄軸等部件靜強(qiáng)度和疲勞分析，其安全系數(shù)均大于1；同時，對裝置所使用的軸承進(jìn)行了優(yōu)化選擇（見表4），使各軸承的使用壽命在1 150小時以上。

圖5 曲柄軸疲勞分析Fig.5 Fatigue strength analysis of crankshaft

表4 軸承壽命計算結(jié)果Table 4 Calculations results of bearing life

在空間受限問題上，通過立柱和橫梁分體設(shè)計，在避讓風(fēng)洞原有立柱和管道等設(shè)施的基礎(chǔ)上方便洞外支撐結(jié)構(gòu)安裝（見圖6）；通過擺動葉柵洞外地面組裝方式的采用和洞內(nèi)專用輔助安裝架的設(shè)計，在確保機(jī)構(gòu)安裝精度的基礎(chǔ)上較好地解決了安裝條件受限的問題。

圖6 安裝位置示意圖Fig.6 Installation location diagram

2.3 裝置概述

FL－13風(fēng)洞突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置（見圖7）主要由擺動葉柵、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)支架、傳動機(jī)構(gòu)、風(fēng)洞外支撐結(jié)構(gòu)等部分組成。

其中，機(jī)構(gòu)支架總尺寸為6180mm×1200mm× 4550mm，總質(zhì)量為8.5t，而洞內(nèi)部分尺寸為6180 mm×1200mm×3795mm。擺動葉柵采用NACA0018翼型，弦長500mm，翼型部分展向長度2600 mm；葉柵單片質(zhì)量75kg（含金屬連接件），轉(zhuǎn)動慣量為1.2kg·m2。裝置傳動鏈的具體形式為：（電機(jī)）－扭矩限制彈性聯(lián)軸器－主軸 －同步帶輪－同步帶－同步帶輪－飛輪軸－飛輪－曲柄連桿機(jī)構(gòu)。裝置主動力源采用西門子雙伸軸異步變頻電機(jī)；電機(jī)兩端輸出軸分別通過KBK BI－1600型金屬波紋管扭矩限制聯(lián)軸器與傳動主軸連接；兩根傳動主軸采用對稱布置，每根軸為2 393mm。

圖7 突風(fēng)試驗裝置Fig.7 Gust response test rig

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 地面調(diào)試

通過地面調(diào)試，測量了裝置的結(jié)構(gòu)特性；測試了測控與傳動系統(tǒng)的可靠性和葉柵機(jī)構(gòu)的同步性；并按照工況要求實測了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行包絡(luò)線，獲得了裝置運(yùn)行的極限工況和機(jī)構(gòu)耐久性包絡(luò)線，初步確定了運(yùn)行共振點，并開展了避免共振的方法研究。

裝置安裝到位后，葉柵轉(zhuǎn)軸距離風(fēng)洞中心4 937 mm，隨后進(jìn)行了洞內(nèi)調(diào)試。調(diào)試中，采用GL300角位移傳感器測量葉柵擺角；采用INV9823ICP加速度傳感器測量裝置振動模態(tài)（見圖8）。

通過調(diào)試，獲得了模態(tài)測量結(jié)果（見表5）和裝置強(qiáng)烈振動區(qū)間（見表6）。

圖8 裝置模態(tài)測量Fig.8 Model measurement of the structure

表5 裝置模態(tài)測量結(jié)果Table 5 Model measurement results of the structure

表6 裝置強(qiáng)烈振動區(qū)間Table 6 Strong vibration range of the structure

4 流場測試

將熱線探針和七孔探針通過安裝架連接到移測架的翼型支架上（見圖9），通過移動移測架實現(xiàn)探針左右移動，通過移測架實現(xiàn)探針前后移動，通過改變翼型支架高度實現(xiàn)探針上下移動。

圖9 突風(fēng)流場測試照片F(xiàn)ig.9 Gust field measurement

測試中，考核了裝置的抗風(fēng)性能，測試了裝置產(chǎn)生的突風(fēng)流場，并對突風(fēng)響應(yīng)試驗裝置的性能包線進(jìn)行了測量。

測試結(jié)果表明：

1）裝置在45m／s的風(fēng)速下安全運(yùn)行；

2）裝置產(chǎn)生的突風(fēng)流場比較穩(wěn)定，流場重復(fù)性較好，流場的頻率組成比較單一，流場性能較好，可實現(xiàn)在試驗區(qū)高度不小于1.5m，橫向?qū)挾炔恍∮?.6m的按正弦規(guī)律變化（如圖10）的突風(fēng)流場；

圖10 葉柵角度與標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線對比Fig.10 Contrast of splitter deflection and standard sinusoid

3）在試驗風(fēng)速范圍內(nèi)（如圖11，測試條件為φ＝30°，f＝1.83Hz，V＝20～40m／s），隨著來流風(fēng)速的增大，產(chǎn)生的Y向突風(fēng)流場振幅逐步增大，且呈現(xiàn)出正弦特性，同葉柵的振蕩頻率相同，頻率跟隨性良好；

圖11 風(fēng)速對突風(fēng)流場的影響Fig.11 Wind speed effect on gust field

4）通過裝置在2組葉柵40m／s風(fēng)速下所產(chǎn)生的突風(fēng)流場包線測量結(jié)果（如圖12）表明，在同一葉柵振幅下，隨著葉柵振蕩頻率的增大，突風(fēng)流場區(qū)域內(nèi)Vy的幅值逐步增大；在振幅為2°時，最大振蕩頻率可達(dá)11Hz；在振幅為30°時，最大振蕩頻率可達(dá)3.67 Hz，此時Vy的幅值達(dá)到9m／s，數(shù)值模擬結(jié)果與其間的偏差（見表7）為1.6%。

圖12 裝置性能包線Fig.12 Performance envelope of the mechanism

表7 FL－13風(fēng)洞突風(fēng)幅值對比Table 7 Contrast of gust amplitude

5 結(jié) 論

目前，該裝置已應(yīng)用于某無人機(jī)突風(fēng)減緩方案驗證試驗中。通過應(yīng)用表明，在FL－13風(fēng)洞建立起了突風(fēng)響應(yīng)試驗平臺及相應(yīng)的風(fēng)洞試驗技術(shù)，使該風(fēng)洞具備了開展飛機(jī)全模的突風(fēng)響應(yīng)影響試驗研究的能力，為開展突風(fēng)響應(yīng)下引起的脈動載荷對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的極限載荷、疲勞壽命和飛行動穩(wěn)定性的影響研究奠定了基礎(chǔ)。

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Investigation on gust response test apparatus in FL－13wind tunnel

Jin Hua1，＊，Wang Hui2，Zhang Haiyou2，Chen Peng2，Yang Yuanzhi2

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

Gust response test apparatus are investigate to satisfy the need of gust response test for a full aircraft model in CARDC FL－13wind tunnel.The apparatus requirements for a large transporter gust response test is confirmed based on CFD simulations.Mechanism design is determined through some introductory tests and the comparison of overall scheme.The detailing problems，such as resonance vibration，difficulty of stiffness enhancement，limitation of installation space and so on，are solved by means of dynamic analysis，structure design and finite element analysis，mode analysis and fatigue analysis.The Debugging test and the examining of gust flow field qualities show that：gust response test apparatus developed hence can generate sinusoidal gust wind with the speed of 40m／s in FL－13wind tunnel.The maximum speed amplitude of gust in the center of model can reach up to 9m／s.The successful simulation of gust flow field indicates the ability of gust response test for high－aspect－ratio aircraft in FL－13wind tunnel.

low speed wind tunnel；gust response；gust generators；wind tunnel test；test technique

V211.7

Adoi：10.7638／kqdlxxb－2015.0134

0258－1825（2016）01－0040－07

2015－07－23；

2015－10－15

金華＊（1973－），男，重慶人，副研究員，研究方向：低速空氣動力學(xué)，E－mail：jh80103440＠sohu.com

金華，王輝，張海酉，等.FL－13風(fēng)洞突風(fēng)發(fā)生裝置研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2016，34（1）：40－46.

10.7638／kqdlxxb－2015.0126 Jin H，Wang H，Zhang H Y，et al.Investigation on gust response test apparatus in FL－13wind tunnel［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2016，34（1）：40－46.