跨聲速風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)提升措施研究

吳盛豪, 陳吉明, 陳欽, 裴海濤

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

近年來(lái)，在先進(jìn)飛行器研制日趨精細(xì)化的要求下，作為提供飛行器設(shè)計(jì)最原始、最可靠依據(jù)的風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化及保真度都提出了更高的要求。尤其是在跨聲速試驗(yàn)范圍內(nèi)，流動(dòng)是極為復(fù)雜且不穩(wěn)定的，流場(chǎng)中既有亞聲速區(qū)又有超聲速區(qū)，氣動(dòng)力和力矩都隨著馬赫數(shù)的變化而劇烈變化，進(jìn)而為了得到更精準(zhǔn)可靠的飛行器模型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，對(duì)跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性提出更為苛刻的要求。

與其他聲速范圍內(nèi)的常規(guī)風(fēng)洞相比，跨聲速風(fēng)洞最顯著的特征是其試驗(yàn)段采用通氣壁板，主要目的：①解決風(fēng)洞的堵塞現(xiàn)象；②產(chǎn)生均勻的低超聲速流動(dòng)；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(fēng)洞通氣壁試驗(yàn)段常為開(kāi)孔壁或開(kāi)槽壁，各有優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)孔壁試驗(yàn)段國(guó)內(nèi)使用較早，使用經(jīng)驗(yàn)也較為成熟。而開(kāi)槽壁試驗(yàn)段由于其在消除亞聲速洞壁干擾特性以及噪聲水平的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也日益被國(guó)內(nèi)風(fēng)洞使用機(jī)構(gòu)所重視。

自20世紀(jì)40年代開(kāi)始采用開(kāi)槽壁試驗(yàn)段建成跨聲速風(fēng)洞，針對(duì)槽壁的設(shè)計(jì)就開(kāi)展了大量的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究工作，建成了以美國(guó)NTF和歐洲ETW為代表的跨聲速風(fēng)洞。槽壁試驗(yàn)段的研究目前主要有2個(gè)方面：

1) 槽壁試驗(yàn)段洞壁干擾量的預(yù)測(cè)和修正方法。大部分研究所采用的方法為基于小擾動(dòng)速度勢(shì)的有限基本解方法(或渦格法)，研究的重點(diǎn)是給出相對(duì)準(zhǔn)確的洞壁邊界表達(dá)式。如Glazkov等對(duì)簡(jiǎn)化的單槽道試驗(yàn)段模型的流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真計(jì)算研究，通過(guò)在T125風(fēng)洞中的風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)段存在明顯的橫向流動(dòng)[2]；中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的劉光遠(yuǎn)采用經(jīng)典的理想槽壁均勻邊界條件和有限基本解方法，對(duì)民機(jī)標(biāo)模的槽壁干擾特性進(jìn)行了評(píng)估和修正[3]。同時(shí)隨著計(jì)算性能及CFD的進(jìn)步，發(fā)展了可用于大迎角及出現(xiàn)明顯氣流分離現(xiàn)象時(shí)的非線(xiàn)性CFD計(jì)算法，如Atsushi等利用替代模型在JTWT風(fēng)洞中對(duì)ONERA-M5模型進(jìn)行了仿真計(jì)算[4-5]，Maseland等在DNW-HST中針對(duì)DLR-F4模型進(jìn)行了仿真計(jì)算分析[6]。

2) 槽壁試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的影響因素。由于國(guó)外風(fēng)洞起步及使用槽壁試驗(yàn)段較早，此類(lèi)研究開(kāi)展的也較早，如Wright等用試驗(yàn)方法在蘭利8英尺風(fēng)洞中研究了開(kāi)槽外形對(duì)低超聲速和高亞聲速流動(dòng)均勻性的影響[7]；Nelson研究了開(kāi)槽寬度、深度、外形、間距對(duì)馬赫數(shù)分布的影響[8]；Steinle對(duì)美國(guó)國(guó)家風(fēng)洞綜合體(NWTC)提出的可變開(kāi)閉比的差阻型槽壁試驗(yàn)段的流向角、洞壁特性及噪聲水平等進(jìn)行了系統(tǒng)研究[9]。國(guó)內(nèi)近些年由于新建大型跨聲速風(fēng)洞采用開(kāi)槽壁試驗(yàn)段的切實(shí)需求，為獲得流場(chǎng)品質(zhì)更優(yōu)的槽壁試驗(yàn)段，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了系列研究，鞠煉等開(kāi)展了槽壁幾何參數(shù)對(duì)跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的影響研究，探究了試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)惡化的誘因，同時(shí)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到了更優(yōu)的開(kāi)槽形狀[10]；叢成華、楊小川分別對(duì)噴管段、槽壁試驗(yàn)段等風(fēng)洞高速段的仿真計(jì)算方法進(jìn)行了研究，對(duì)槽壁試驗(yàn)段流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)不同槽型、抽氣量等的影響進(jìn)行對(duì)比[11-13]。

為降低大型連續(xù)式跨超聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)建造了0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱(chēng)0.6 m風(fēng)洞)，同時(shí)配備了槽壁試驗(yàn)段，風(fēng)洞建成后的第一期調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在低超聲速流動(dòng)狀態(tài)下槽壁試驗(yàn)段內(nèi)的軸向馬赫數(shù)分布均勻性較差(即沿試驗(yàn)段軸線(xiàn)方向馬赫數(shù)波動(dòng)較大)，本文利用仿真計(jì)算對(duì)馬赫數(shù)的波動(dòng)原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)措施的效果進(jìn)行了驗(yàn)證，最終使得0.6 m風(fēng)洞流場(chǎng)均勻性指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

1 0.6 m風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段前期調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果

1.1 風(fēng)洞簡(jiǎn)介

0.6 m風(fēng)洞是一座由軸流式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的變密度連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，風(fēng)洞設(shè)計(jì)方案采用了寬工況壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、半柔壁噴管、指片再入調(diào)節(jié)片式主流引射縫、高性能換熱器和三段調(diào)節(jié)片加可調(diào)中心體式二喉道等新型技術(shù)，回路示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 0.6 m風(fēng)洞實(shí)物圖

風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸為0.6 m×0.6 m，穩(wěn)定段總壓范圍為(0.15～2.5)×105Pa，通過(guò)變換噴管型面，配合使用駐室抽氣系統(tǒng)和主流引射，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段馬赫數(shù)范圍0.2～1.6。風(fēng)洞前期配備的槽壁試驗(yàn)段采用上下壁開(kāi)6條槽(10%固定開(kāi)閉比)、左右實(shí)壁板方案[14]。

1.2 槽壁試驗(yàn)段前期調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果

0.6 m風(fēng)洞建成之后，開(kāi)展了風(fēng)洞的總體性能調(diào)試，獲取了風(fēng)洞安全運(yùn)行邊界及總體性能，同時(shí)根據(jù)GJB1179A-2012的要求，采用軸向靜壓探測(cè)管對(duì)試驗(yàn)段沿程的核心流馬赫數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試[15]，如圖2所示。測(cè)試選用PSI9116掃描閥測(cè)量穩(wěn)定段總壓和各測(cè)點(diǎn)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(cè)管長(zhǎng)度保持一致。

圖2 軸向靜壓探測(cè)管示意圖

試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)Ma,馬赫數(shù)均方根偏差σMa,分別由(1)、(2)式給出

(1)

(2)

式中:p0為穩(wěn)定段總壓,Pa;p為測(cè)點(diǎn)靜壓,Pa;n為模型區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)總數(shù);Mai為模型區(qū)內(nèi)第i測(cè)點(diǎn)的馬赫數(shù)。

圖3給出了風(fēng)洞原配備的槽壁試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布測(cè)量結(jié)果,結(jié)果顯示:當(dāng)試驗(yàn)段Ma>1.0時(shí),試驗(yàn)段內(nèi)軸向馬赫數(shù)波動(dòng)較大,模型區(qū)均方根偏差σMa>0.008,未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(Ma>1.0時(shí),σMa≤0.002～0.008)。

結(jié)合風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及低超聲速下核心流軸向馬赫數(shù)分布特點(diǎn),初步分析可能存在以下2個(gè)原因致使試驗(yàn)段馬赫數(shù)的波動(dòng)較大:①槽壁試驗(yàn)段采用6條槽,10%開(kāi)閉比的設(shè)計(jì)方案,開(kāi)閉比較大,致使試驗(yàn)段入口膨脹波較強(qiáng),引起主氣流過(guò)膨脹;②為滿(mǎn)足噴管和試驗(yàn)段法蘭盤(pán)連接的需求,在試驗(yàn)段入口處結(jié)構(gòu)框架設(shè)置了100 mm的平直段,致使從噴管到試驗(yàn)段的型面曲線(xiàn)曲率不連續(xù),產(chǎn)生了弱激波。為了驗(yàn)證上述推斷,對(duì)風(fēng)洞高速段進(jìn)行數(shù)值分析,并制定了改進(jìn)措施。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 開(kāi)閉比的影響

0.6m風(fēng)洞原槽壁試驗(yàn)段上下壁板采用6條槽,10%固定開(kāi)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(diào)),而后是100 mm的三角加速區(qū)。為分析槽壁試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)波動(dòng)結(jié)構(gòu),探究試驗(yàn)段馬赫數(shù)波動(dòng)的原因,對(duì)0.6 m風(fēng)洞高速段開(kāi)展了數(shù)值仿真計(jì)算。

1) 模型及網(wǎng)格

為更真實(shí)地模擬槽壁試驗(yàn)段內(nèi)流動(dòng)狀況,數(shù)值模擬過(guò)程盡可能多地保留風(fēng)洞高速段內(nèi)結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算域包括:風(fēng)洞穩(wěn)定段、噴管段、槽壁試驗(yàn)段、支架段、再入段、高速擴(kuò)散段及駐室。同時(shí)考慮到槽壁試驗(yàn)段計(jì)算的復(fù)雜性,在實(shí)際計(jì)算中,對(duì)主流影響較小的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化,扣除了彎刀支架深入駐室的部分,駐室長(zhǎng)度適當(dāng)縮減,未包裹風(fēng)洞噴管段。計(jì)算中試驗(yàn)段壁板擴(kuò)開(kāi)角0°、再導(dǎo)入調(diào)節(jié)片偏角0°,駐室無(wú)主動(dòng)抽氣處理。考慮計(jì)算能力的限制,以及風(fēng)洞試驗(yàn)段流動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性,模型可視為上下、左右對(duì)稱(chēng),因此選取了四分之一模型作為計(jì)算域,計(jì)算網(wǎng)格為全域?qū)拥慕Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格,如圖5所示。對(duì)流道內(nèi)邊界層以及槽道、再入段等流動(dòng)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行加密,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格量約為3 000萬(wàn)。

圖5 槽壁試驗(yàn)段模型及網(wǎng)格示意圖

2) 計(jì)算方法及邊界條件

采用三維非定常雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)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(wú)黏通量項(xiàng)與黏性通量項(xiàng);為控制體;?Ω為控制體邊界。流場(chǎng)求解中使用有限體積法,空間離散格式采用二階迎風(fēng)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(jìn)出口邊界,入口給定總壓p0,即穩(wěn)定段總壓,為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,p0選擇試驗(yàn)常用壓力100 kPa,出口給定背壓pb,計(jì)算過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)整背壓,得到預(yù)定馬赫數(shù)結(jié)果。

3) 仿真結(jié)果驗(yàn)證與分析

監(jiān)測(cè)風(fēng)洞進(jìn)出口流量及模型區(qū)馬赫數(shù)作為收斂判據(jù),為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,通過(guò)調(diào)整背壓,使得試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)接近1.1。選擇與數(shù)值仿真計(jì)算的相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6給出了數(shù)值仿真計(jì)算得到的10%開(kāi)閉比的槽壁試驗(yàn)段核心流沿軸向的馬赫數(shù)分布與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示,數(shù)值仿真得到的軸向馬赫數(shù)分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,馬赫數(shù)分布波動(dòng)的幅度及波峰、波谷一致性也較好,說(shuō)明本文所采用的數(shù)值仿真計(jì)算方法可以作為評(píng)估槽壁試驗(yàn)段馬赫數(shù)軸向波動(dòng)的有效手段。

圖6 槽壁試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(10%開(kāi)閉比)

為進(jìn)一步分析槽壁試驗(yàn)段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)建立過(guò)程,圖7給出了試驗(yàn)段中心的槽內(nèi)縱截面的靜壓分布云圖及部分流線(xiàn)分布情況,從圖中可以推測(cè)出,槽壁試驗(yàn)段低超聲速流動(dòng)的建立過(guò)程:從試驗(yàn)段到支架段由于面積比的變化,氣流流動(dòng)機(jī)理類(lèi)似于引射器工作原理,試驗(yàn)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(nèi)氣流靜壓被抽至低于主氣流靜壓,而后由于靜壓差,試驗(yàn)段內(nèi)部分氣流流入駐室同時(shí)主氣流加速,此過(guò)程是動(dòng)態(tài)迭代過(guò)程,直至主流馬赫數(shù)與運(yùn)行壓力比匹配。結(jié)合槽壁試驗(yàn)段流動(dòng)機(jī)理及圖7,可以看出,由于試驗(yàn)段與駐室內(nèi)的靜壓差,試驗(yàn)段內(nèi)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(yàn)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(yàn)段中心縱截面密度梯度分布云圖

由于主氣流主要通過(guò)槽道前部進(jìn)入駐室內(nèi),如果試驗(yàn)段開(kāi)閉比較大且加速區(qū)設(shè)置不合理,將導(dǎo)致進(jìn)入駐室內(nèi)的氣流過(guò)快、過(guò)多,進(jìn)而在試驗(yàn)段入口處產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹波。為更好展示試驗(yàn)段內(nèi)的波系結(jié)構(gòu),圖8給出了試驗(yàn)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(yàn)段入口處產(chǎn)生較強(qiáng)膨脹波,膨脹波在試驗(yàn)段內(nèi)不斷反射,進(jìn)而引起了試驗(yàn)段內(nèi)馬赫數(shù)分布的波動(dòng)。

2.2 型面曲率不連續(xù)的影響

0.6 m風(fēng)洞前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為滿(mǎn)足噴管段法蘭盤(pán)與試驗(yàn)段連接的需要,在試驗(yàn)段入口處結(jié)構(gòu)框架設(shè)置了長(zhǎng)度100 mm的平直段(實(shí)壁),如圖9所示,導(dǎo)致當(dāng)試驗(yàn)段壁板調(diào)節(jié)擴(kuò)開(kāi)角時(shí),噴管與通氣壁板間內(nèi)壁面曲率不連續(xù),存在折角,進(jìn)而產(chǎn)生擾動(dòng)波,是造成試驗(yàn)段在低超聲速馬赫數(shù)波動(dòng)的原因之一。同樣采取仿真計(jì)算方法對(duì)該影響進(jìn)行評(píng)估。

圖9 噴管段與試驗(yàn)段連接型式示意圖

1) 網(wǎng)格及邊界條件

由于2.1節(jié)中描述的槽壁試驗(yàn)段會(huì)在試驗(yàn)段入口處產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹波,為了有效評(píng)估型面曲率不連續(xù)的影響,本節(jié)仿真評(píng)估采用實(shí)壁試驗(yàn)段模型,且0.6 m風(fēng)洞配備有實(shí)壁試驗(yàn)段運(yùn)行馬赫數(shù)1.5,1.6,為便于試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,仿真評(píng)估的試驗(yàn)段馬赫數(shù)選擇1.5。

由于流動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性,計(jì)算域選擇四分之一模型計(jì)算網(wǎng)格為全域?qū)拥慕Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格,如圖10所示。對(duì)流道內(nèi)邊界層進(jìn)行加密,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格量約為600萬(wàn)。邊界條件方面,選擇壓力進(jìn)出口邊界,入口給定總壓p0,即穩(wěn)定段總壓,為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,p0選擇試驗(yàn)常用壓力100 kPa,由于型面曲線(xiàn)選擇Ma1.5的型面,出口給定一個(gè)較低的背壓能夠建立穩(wěn)定流場(chǎng)即可。其他條件設(shè)置與槽壁試驗(yàn)段類(lèi)似。

圖10 實(shí)壁試驗(yàn)段模型及網(wǎng)格

2) 仿真結(jié)果分析

圖11給出了采用平直段連接方式的噴管和試驗(yàn)段內(nèi)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(chǎn)生了一道較強(qiáng)的激波,經(jīng)壁面連續(xù)反射影響了試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)品質(zhì)。對(duì)于槽壁試驗(yàn)段來(lái)說(shuō),雖然開(kāi)槽壁具有一定的消波能力,但是折角處產(chǎn)生的激波較為集中,難以有效消除,對(duì)模型區(qū)馬赫數(shù)分布可能產(chǎn)生不利影響。

圖11 試驗(yàn)段密度梯度分布云圖(平直板連接)

3 槽壁試驗(yàn)段改進(jìn)措施設(shè)計(jì)

3.1 降低槽壁試驗(yàn)段開(kāi)閉比

由2.1節(jié)的數(shù)值仿真結(jié)果分析可知,0.6 m風(fēng)洞前期調(diào)試采用的10%開(kāi)閉比的槽壁試驗(yàn)段,在試驗(yàn)段入口處形成了較強(qiáng)的膨脹波,引起了試驗(yàn)段內(nèi)馬赫數(shù)的波動(dòng)。從圖6、圖8的波動(dòng)規(guī)律,也可看出,隨著到試驗(yàn)段入口距離的增加,波動(dòng)逐漸減弱,因此如果增加試驗(yàn)段長(zhǎng)度,也可獲得馬赫數(shù)分布更為均勻的模型區(qū),但由于0.6 m風(fēng)洞已建成,且考慮到現(xiàn)有槽壁試驗(yàn)段標(biāo)模試驗(yàn)中洞壁干擾特性的表現(xiàn),擬通過(guò)降低槽壁試驗(yàn)段開(kāi)閉比的方式,改善試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)分布的均勻性。

新設(shè)計(jì)加工的槽壁板采用上下壁板采用6條槽,6%固定開(kāi)閉比方案如圖12所示,為驗(yàn)證新設(shè)計(jì)槽壁試驗(yàn)段效果,采用2.1節(jié)中數(shù)值仿真方法,重新建模計(jì)算。

圖12 新槽壁試驗(yàn)段上下壁板板示意圖(6%開(kāi)閉比)

圖13給出相同條件下(壁板擴(kuò)開(kāi)角0°、再導(dǎo)入調(diào)節(jié)片偏角0°、無(wú)駐室抽氣)2種開(kāi)閉比下槽壁試驗(yàn)段密度梯度分布云圖對(duì)比,從分布圖中可以明顯的看出,相較于10%開(kāi)閉比的原槽壁,新設(shè)計(jì)的6%開(kāi)閉比的槽壁入口膨脹波強(qiáng)度顯著減弱,同時(shí)后續(xù)反射波的波強(qiáng)也隨之減弱,有利于改善試驗(yàn)段內(nèi)的馬赫數(shù)波動(dòng)。

圖13 槽壁試驗(yàn)段密度分布云圖

圖14給出了不同開(kāi)閉比下軸向馬赫數(shù)分布的數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比,圖中更直接地看出新設(shè)計(jì)6%開(kāi)閉比的槽壁試驗(yàn)段內(nèi)的馬赫數(shù)波動(dòng)改善明顯。

圖14 軸向馬赫數(shù)分布數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比 圖15 噴管與試驗(yàn)段連接型式示意圖 圖16 試驗(yàn)段密度梯度分布云圖對(duì)比

3.2 改進(jìn)噴管段和試驗(yàn)段連接型式

為解決噴管和試驗(yàn)段連接處曲率不連續(xù)的問(wèn)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(jié)所述數(shù)值仿真計(jì)算方法,對(duì)彈性板連接方式在實(shí)壁板、Ma1.5工況下的流場(chǎng)波動(dòng)進(jìn)行模擬,圖16給出了平直板連接和彈性板連接試驗(yàn)段密度梯度分布云圖對(duì)比,圖中可以看到采用彈性板連接將平直段連接折角處產(chǎn)生的一道較強(qiáng)的激波優(yōu)化為一系列較弱的激波,將更有利于槽壁試驗(yàn)段消除激波。

4 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述提出的改進(jìn)措施,新設(shè)計(jì)加工0.6 m風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段試驗(yàn)件,噴管段與試驗(yàn)段采用彈性板連接,上下槽壁板采用6條槽、6%開(kāi)閉比方案,實(shí)物見(jiàn)圖17。試驗(yàn)調(diào)試采用與第一期相同的試驗(yàn)條件,采用軸探管對(duì)試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)分布進(jìn)行了測(cè)量,圖18給出了槽壁試驗(yàn)段改造前后部分核心馬赫數(shù)軸向分布對(duì)比,圖19給出了改造前后模型區(qū)內(nèi)馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比,從結(jié)果可以看出,改進(jìn)后的槽壁試驗(yàn)段在亞聲速時(shí)試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)分布均勻性與原試驗(yàn)段基本一致,而在低超聲速時(shí)馬赫數(shù)分布波動(dòng)變小、均勻性明顯改善。

圖17 改造后試驗(yàn)段壁板實(shí)物圖 圖18 槽壁試驗(yàn)段改造前后核心馬赫數(shù)分布對(duì)比 圖19 槽壁試驗(yàn)段改造前后核心核心馬赫數(shù)分布對(duì)比 馬赫數(shù)均方根偏差對(duì)比

5 結(jié) 論

為改善0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段低超聲速流動(dòng)狀態(tài)下馬赫數(shù)分布的均勻性,通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)合的手段,分析了引起試驗(yàn)段內(nèi)馬赫數(shù)波動(dòng)的原因,制定并驗(yàn)證了改進(jìn)措施,研究工作可以得出以下結(jié)論:

1) 槽壁試驗(yàn)段通過(guò)主流引射作用產(chǎn)生低超聲速流動(dòng)過(guò)程中,由于試驗(yàn)段與駐室內(nèi)的壓差,試驗(yàn)段段內(nèi)的主氣流主要從槽道前部流入駐室;

2) 試驗(yàn)主氣流流入駐室過(guò)程中,產(chǎn)生膨脹波,波強(qiáng)與壁板開(kāi)閉比直接相關(guān),并在槽壁試驗(yàn)段內(nèi)不斷反射、衰減,如果開(kāi)閉比和試驗(yàn)段選擇不匹配,會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)的馬赫數(shù)均勻性較差;

3) 噴管段和試驗(yàn)段連接處曲率不連續(xù)的點(diǎn),會(huì)產(chǎn)生一道擾動(dòng)波,并在試驗(yàn)段內(nèi)不斷反射。利用彈性板連接,可將擾動(dòng)波優(yōu)化為一系列較弱的波,更有利于反射波在槽壁試驗(yàn)段的消除;

4) 保持風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段長(zhǎng)度不變的情況下,合適的開(kāi)閉比與槽數(shù)選取,噴管和試驗(yàn)段采用彈性板連接,可顯著改善低超聲速流動(dòng)的馬赫數(shù)均勻性。