跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段馬赫數(shù)靜壓探針移測(cè)方法初探

鄧海均, 熊波, 羅新福, 洪少尊, 劉奇, 蒲泓宇, 劉為杰

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽 621000)

為了滿足現(xiàn)代化先進(jìn)飛行器研制更加精細(xì)化的要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)向模擬真實(shí)化、測(cè)量精細(xì)化方向發(fā)展的目標(biāo)，對(duì)于高性能跨聲速風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)提出了更高的要求[1-3]。為了檢驗(yàn)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)，確定風(fēng)洞是否滿足飛行器研制需求，需定期開展流場(chǎng)校測(cè)工作。流場(chǎng)校測(cè)的項(xiàng)目主要包括速度場(chǎng)、方向場(chǎng)、跨聲速通氣壁消波特性、洞壁邊界層、氣流噪聲、湍流度、氣流的低頻脈動(dòng)等[4-5]，其中速度場(chǎng)為必校項(xiàng)目。常規(guī)跨聲速風(fēng)洞速度場(chǎng)校測(cè)通常采用長(zhǎng)軸向探測(cè)管測(cè)得的靜壓與風(fēng)洞總壓計(jì)算得到試驗(yàn)段中心線(核心流)上的馬赫數(shù)，最終獲得核心流馬赫數(shù)軸向分布特性和風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)與駐室馬赫數(shù)的修正關(guān)系。

參與風(fēng)洞試驗(yàn)的長(zhǎng)軸向探測(cè)管尾部固定在中部支架上，管體位于試驗(yàn)段中心線上,由于頭部需穿過試驗(yàn)段和噴管段一直延伸到收縮段，為了減小自重引起的撓度問題造成長(zhǎng)軸向探測(cè)管偏離風(fēng)洞軸線以及為保證試驗(yàn)的安全，通常需要對(duì)其進(jìn)行多處張線固定[6-9]。國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞如NF-6風(fēng)洞、FL-26風(fēng)洞[10-13]、艾姆斯研究中心的統(tǒng)一規(guī)劃風(fēng)洞(UPWT)以及蘭利中心的 NTF風(fēng)洞[14-15]等均采用上述形式開展常規(guī)流場(chǎng)校測(cè)試驗(yàn),該方式可減小頭部對(duì)流場(chǎng)的干擾，但過長(zhǎng)的尺寸及張線工裝對(duì)流場(chǎng)及洞體均存在不利影響。靜壓探針相對(duì)于長(zhǎng)軸向探測(cè)管的尺寸更小，堵塞影響相對(duì)于長(zhǎng)軸向探測(cè)管可以得到有效降低，另外由于無需張線支撐，避免了洞體工裝干擾帶來的影響,具有較高的實(shí)用價(jià)值。日本的JAXA 2 m×2 m跨聲速風(fēng)洞研究人員利用固定安裝于試驗(yàn)段內(nèi)部的靜壓探針校準(zhǔn)了試驗(yàn)段來流馬赫數(shù)和駐室參考馬赫數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[16]。

本文以CARDC 0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(FL-20風(fēng)洞)為試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了2款可移動(dòng)的新型探針，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其測(cè)值特性開展了相關(guān)研究。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

FL-20風(fēng)洞是一座由AV90-3型軸流式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞,為水平布置的全鋼結(jié)構(gòu)。風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸:0.6 m×0.6 m×1.85 m,馬赫數(shù)范圍0.2～1.6,雷諾數(shù)范圍(0.029～2.25)×106(參考長(zhǎng)度c=0.06 m),穩(wěn)定段總壓:(0.15～ 2.5)×105Pa。風(fēng)洞采用定總壓變馬赫數(shù)的方式運(yùn)行,總壓與馬赫數(shù)采用獨(dú)立的閉環(huán)控制策略?？倝嚎刂仆ㄟ^閉環(huán)控制進(jìn)/排氣調(diào)壓閥開度,實(shí)現(xiàn)其精確控制,控制精度≤0.1%;馬赫數(shù)控制策略根據(jù)不同的馬赫數(shù)區(qū)間,選取不同的主/輔壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制和中心體控制的組合方式實(shí)現(xiàn),控制精度≤0.002[17-18]。

圖1 FL-20風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)圖

2 試驗(yàn)條件及測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)全部采用常壓方式運(yùn)行,穩(wěn)定段總壓控制在100 kPa。試驗(yàn)選用FL-20風(fēng)洞上下槽壁左右實(shí)壁試驗(yàn)段,開閉比為6%,如圖2所示。試驗(yàn)段壁板擴(kuò)開角為0.5°,主流引射縫開度為2°,試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍0.8～1.2。

圖2 槽壁試驗(yàn)段圖3 FL-20風(fēng)洞長(zhǎng)軸向探測(cè)管(C-T)

試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)通過掃描閥進(jìn)行測(cè)量,為了保證壓力測(cè)量的同步性,將穩(wěn)定段總壓引至掃描閥模塊進(jìn)行采集。常壓工況時(shí),掃描閥模塊量程為±103.425 kPa，掃描閥測(cè)量精度為0.05%。

長(zhǎng)軸向探測(cè)管(代號(hào):C-T)由探管柱體、延伸段和頭錐組成,頭部延伸至收縮段,是目前跨聲速風(fēng)洞常規(guī)流場(chǎng)校測(cè)中采用的主要工具,可作為靜壓探針的參照標(biāo)準(zhǔn)。C-T堵塞度為0.35%,頭錐10°,通過尾部支撐安裝在流場(chǎng)校測(cè)專用中部支架上,在收縮段入口采用張線支撐方式提高長(zhǎng)軸向探測(cè)管剛度并實(shí)現(xiàn)沿風(fēng)洞軸線方向的調(diào)節(jié)功能。如圖3至4所示,C-T在風(fēng)洞中安裝完成后全長(zhǎng)5 350 mm。

圖4 長(zhǎng)軸向探測(cè)管尺寸示意圖

本期試驗(yàn)采用的單孔靜壓探針(代號(hào):TZ-1,下同)和多孔靜壓探針(代號(hào):TZ-8,下同)均固定安裝在移測(cè)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),參與試驗(yàn)的靜壓探針如表1所示。

表1 參與試驗(yàn)的靜壓探針

根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)對(duì)亞音速條件下圓弧錐頭部靜壓探測(cè)管進(jìn)行了相關(guān)研究,計(jì)算條件為遠(yuǎn)場(chǎng)邊界,利用Fluent求解器對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行求解[19-20]。如圖5至6所示,馬赫數(shù)0.6時(shí)柱段馬赫數(shù)在離肩部1.2倍管徑后與來流馬赫數(shù)差量小于0.001 5(肩部為探針圓弧錐頭部與柱段連接位置),馬赫數(shù)受頭部干擾影響程度從前往后迅速衰減。馬赫數(shù)0.95時(shí)從數(shù)值計(jì)算結(jié)果中可以看出頭部在流場(chǎng)中的影響規(guī)律與馬赫數(shù)0.6一致,但擾動(dòng)強(qiáng)度和影響區(qū)域相對(duì)增大,柱段馬赫數(shù)在距離肩部3.4倍管徑后與來流馬赫數(shù)差量小于0.001 5。從仿真結(jié)果來看,亞音速條件下頭部引起的流場(chǎng)擾動(dòng)和影響區(qū)域均較小。由于試驗(yàn)段內(nèi)的跨聲速流場(chǎng)精確模擬相對(duì)困難,尤其在超音速來流中探測(cè)管頭部將產(chǎn)生頭波并在試驗(yàn)段壁板上發(fā)生波系反射,在研究中主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行探索。

圖5 圓弧錐頭部靜壓探測(cè)管馬赫數(shù)分布(Ma=0.6)

圖6 圓弧錐頭部靜壓探測(cè)管馬赫數(shù)分布(Ma=0.95)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]中關(guān)于靜壓探針尾錐展角θ的研究結(jié)果,認(rèn)為探針尾錐長(zhǎng)度為15倍尾錐底部直徑且展角小于等于1.909時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)馬赫數(shù)的影響可予以忽略(圖7)。

圖7 尾錐展角θ示意圖

如圖8所示,試驗(yàn)采用的單孔探針(TZ-1)的直徑d為6 mm,探針采用8°圓弧錐頭部,探針柱段僅有一個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)孔徑為0.5 mm。靜壓測(cè)點(diǎn)距離肩部30d,距離后端錐段30d,測(cè)量點(diǎn)孔距試驗(yàn)段入口960 mm(移側(cè)機(jī)構(gòu)前伸至極限位置,可覆蓋距離試驗(yàn)段入口960～1 360 mm),TZ-1在風(fēng)洞中安裝完成后如圖9所示。多孔探針(TZ-8)的直徑D為15 mm,探針尖端采用8°圓弧錐頭部,探針柱段共有8個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)(上下兩側(cè)開孔),測(cè)點(diǎn)孔徑為0.5 mm,各靜壓測(cè)點(diǎn)開孔分別距離肩部3D,5D,7D,9D,11D,13D,15D,17D,尾孔距離后端錐段105 mm,首個(gè)靜壓開孔距試驗(yàn)段入口960 mm(移側(cè)機(jī)構(gòu)前伸至極限位置,測(cè)區(qū)覆蓋距離試驗(yàn)段入口960～1 570 mm區(qū)域)。

圖8 靜壓探針(TZ-1)及(TZ-8)

圖9 安裝在風(fēng)洞移測(cè)機(jī)構(gòu)上的靜壓探針(TZ-1)

3 數(shù)據(jù)處理方法

在亞跨聲速,長(zhǎng)軸向探測(cè)管測(cè)點(diǎn)和駐室測(cè)點(diǎn)的靜壓通過傳壓管接到掃描閥進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)穩(wěn)定段總壓及各測(cè)點(diǎn)靜壓,依據(jù)馬赫數(shù)計(jì)算公式得出相應(yīng)的馬赫數(shù)。

(1)

式中:Ma為試驗(yàn)段馬赫數(shù);P0為穩(wěn)定段氣流總壓,Pa;P為試驗(yàn)段靜壓,Pa。

平均馬赫數(shù)

(2)

式中:Macp為模型區(qū)核心流平均馬赫數(shù);n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)偏差ΔMaj

ΔMaj=|Maj-Macp|

(3)

式中:Maj為試驗(yàn)段核心流測(cè)點(diǎn)j處馬赫數(shù)。

試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)均方根偏差

(4)

式中:Maj為試驗(yàn)段核心流測(cè)點(diǎn)j處馬赫數(shù)。

馬赫數(shù)修正量

ΔMax=Macp-Mac

(5)

式中:ΔMax為試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)修正量;Mac為駐室馬赫數(shù)。

測(cè)點(diǎn)馬赫數(shù)與駐室馬赫數(shù)差量

ΔC=Maj-Mac

(6)

式中:ΔC為測(cè)點(diǎn)馬赫數(shù)與駐室馬赫數(shù)差量。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)前按照操作規(guī)程對(duì)長(zhǎng)軸向探測(cè)管和靜壓探針各測(cè)點(diǎn)逐一進(jìn)行檢查,結(jié)果顯示各測(cè)點(diǎn)通氣性及氣密性良好。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃分別進(jìn)行了單孔探針試驗(yàn)、多孔探針試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)噴管均為聲速型面。為保證試驗(yàn)條件不變,試驗(yàn)過程中洞體條件及風(fēng)洞運(yùn)行方式均保持一致。

4.1 單孔探針試驗(yàn)

TZ-1在試驗(yàn)過程中跟隨移測(cè)機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)段中心線上移動(dòng),靜壓測(cè)點(diǎn)從距離試驗(yàn)段入口960 mm處開始每25 mm移測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)并記錄,試驗(yàn)過程中控制馬赫數(shù)保持不變,得到移測(cè)區(qū)間的數(shù)據(jù)。圖10給出了馬赫數(shù)0.8,0.9以及1.0下C-T、TZ-1在移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)變化情況,圖11至12給出了TZ-1在馬赫數(shù)1.1和1.2移測(cè)區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果(均為相對(duì)于駐室馬赫數(shù)差量)。對(duì)TZ-1在試驗(yàn)段移測(cè)區(qū)(距離試驗(yàn)段入口960～1 360 mm)內(nèi)測(cè)得的靜壓值按照數(shù)據(jù)處理方法得到相應(yīng)的馬赫數(shù)均方根偏差σMa指標(biāo),圖13至14給出了C-T與TZ-1的移測(cè)區(qū)內(nèi)馬赫數(shù)均方根偏差量σMa和馬赫數(shù)修正量的測(cè)試結(jié)果(為方便對(duì)比,C-T同樣取960～1 360 mm計(jì)算均方根偏差量)。

圖10 不同馬赫數(shù)下C-T/TZ-1測(cè)區(qū)馬赫數(shù)變化情況

圖11 C-T/TZ-1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(Ma=1.1)

圖12 C-T/TZ-1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(Ma=1.2)

圖13 模型區(qū)均方根偏差

圖14 馬赫數(shù)修正量

當(dāng)Ma=0.8及0.95時(shí)(圖10),C-T在該測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)均方根偏差大于TZ-1結(jié)果,且存在較為明顯的馬赫數(shù)修正量差異。C-T是不同的測(cè)壓孔在同一時(shí)間內(nèi)測(cè)得的結(jié)果,測(cè)值結(jié)果會(huì)受到各靜壓孔一致性差異影響,TZ-1是單孔探針移測(cè)結(jié)果,考慮到該馬赫數(shù)下流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定,頭部在該馬赫數(shù)下引起的干擾相對(duì)較小,且靜壓孔離頭部足夠遠(yuǎn),TZ-1的移測(cè)結(jié)果曲線相對(duì)平滑,更能真實(shí)地反應(yīng)流場(chǎng)馬赫數(shù)變化情況。該馬赫數(shù)下修正量差異達(dá)0.002 2～0.003 0,主要來自C-T與TZ-1在風(fēng)洞中的堵塞度差異、支撐結(jié)構(gòu)尺寸不同、安裝方式以及各自的加工差異等因素的綜合影響。

當(dāng)Ma=1.0時(shí)(圖10),TZ-1移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)波動(dòng)曲線與C-T存在明顯差異,TZ-1移測(cè)區(qū)的均方根偏差量相對(duì)于C-T更小。通過對(duì)比C-T和TZ-1馬赫數(shù)0.8,0.95和1.0的測(cè)區(qū)波動(dòng)情況可以發(fā)現(xiàn),C-T在馬赫數(shù)0.8及0.95移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)波動(dòng)曲線幾乎一致,說明核心流馬赫數(shù)測(cè)值波動(dòng)主要受各靜壓孔固定差異的影響。馬赫數(shù)1.0時(shí)C-T受到流場(chǎng)自身波動(dòng)增大的影響與各測(cè)壓孔差異的影響,TZ-1受到頭波以及移測(cè)裝置的影響,長(zhǎng)軸向探測(cè)管與單孔探針的測(cè)值曲線存在明顯差異。

當(dāng)Ma=1.1和1.2時(shí)(見圖11至12),TZ-1在移測(cè)區(qū)的均方根偏差量相對(duì)于C-T明顯偏大,TZ-1和C-T在移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)修正量差異比馬赫數(shù)1.0及以下狀態(tài)小。從移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)分布曲線可以看出部分移測(cè)點(diǎn)的馬赫數(shù)測(cè)值發(fā)生明顯偏離,說明在探針移測(cè)到不同位置時(shí)測(cè)點(diǎn)靜壓受到干擾影響不同,該試驗(yàn)條件與長(zhǎng)軸向探測(cè)管固定測(cè)量各點(diǎn)靜壓值存在較大差異。

綜合來看,當(dāng)Ma≤1.0時(shí),TZ-1的馬赫數(shù)均方根偏差σMa和與C-T結(jié)果非常接近(σMa≤0.000 3),均方根偏差指標(biāo)全部低于C-T,各狀態(tài)馬赫數(shù)修正量與C-T差異相對(duì)偏大(馬赫數(shù)修正量差異量0.002 2～0.003 5);當(dāng)1.05≤Ma≤1.2時(shí),TZ-1的馬赫數(shù)均方根偏差σM與C-T結(jié)果相比差異明顯(0.002 7≤σMa≤0.003 2),馬赫數(shù)修正量差異相對(duì)于馬赫數(shù)1.0及以下狀態(tài)有所減小。

4.2 多孔探針試驗(yàn)

多孔探針(TZ-8)在試驗(yàn)過程中同樣跟隨移測(cè)機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)段中心線上移動(dòng),首個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)從距離試驗(yàn)段入口960 mm處開始每25 mm移測(cè)一點(diǎn)數(shù)據(jù)并記錄,每次記錄的數(shù)據(jù)為8個(gè)測(cè)壓點(diǎn)在同一時(shí)刻的數(shù)據(jù),試驗(yàn)過程中控制馬赫數(shù)保持不變,得到移測(cè)區(qū)間的數(shù)據(jù)。

圖15和圖16分別給出了馬赫數(shù)0.8時(shí)移測(cè)裝置在不同位置的測(cè)試結(jié)果和不同測(cè)壓點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。馬赫數(shù)1.0以上結(jié)果由于與長(zhǎng)軸向探測(cè)管結(jié)果測(cè)值差異明顯,且與TZ-1影響規(guī)律一致,此處不再作詳細(xì)分析。

圖15 不同位置測(cè)試結(jié)果(Ma=0.8)

圖16 不同測(cè)壓點(diǎn)測(cè)試結(jié)果(Ma=0.8)

在Ma=0.8時(shí),圖15是TZ-8首個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)在距離試驗(yàn)段入口960 mm(a),985 mm(b),1 010 mm(c),1 035 mm(d)4個(gè)位置時(shí)各測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻的測(cè)值結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)該馬赫數(shù)下流場(chǎng)本身波動(dòng)較小,TZ-8的各靜壓測(cè)孔一致性差異是引起馬赫數(shù)分布曲線波動(dòng)的主要因素。

考慮到多孔探針頭部以及尾支撐干擾的影響,選取多孔探針中部3,4,5,6號(hào)測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行研究。圖16為TZ-8第3,4,5,6號(hào)點(diǎn)的移測(cè)試驗(yàn)結(jié)果、TZ-1以及C-T在該區(qū)域內(nèi)的測(cè)值結(jié)果對(duì)比曲線,可以發(fā)現(xiàn)3,4,5,6號(hào)點(diǎn)以及TZ-1測(cè)值曲線與C-T結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致,各測(cè)點(diǎn)在移測(cè)區(qū)測(cè)值曲線波動(dòng)明顯小于C-T結(jié)果。針對(duì)3,4,5,6號(hào)點(diǎn)的測(cè)值曲線求取平均趨勢(shì)線(見圖16),可以看出在公共移測(cè)區(qū)各測(cè)點(diǎn)以及TZ-1測(cè)值基本在平均趨勢(shì)線±0.000 5以內(nèi),說明TZ-8中部測(cè)點(diǎn)以及TZ-1測(cè)點(diǎn)在該馬赫數(shù)下測(cè)值結(jié)果較為準(zhǔn)確,具備較高的可信度。

表2給出了TZ-8的8個(gè)測(cè)壓點(diǎn)在移測(cè)區(qū)(距離試驗(yàn)段入口960～1 570 mm)內(nèi)的馬赫數(shù)均方根偏差量σMa結(jié)果(為方便對(duì)比,C-T取960～1 560 mm計(jì)算均方根偏差量)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,當(dāng)Ma≤1.0時(shí)多孔探針各靜壓測(cè)點(diǎn)移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)均方根偏差量σMa普遍小于長(zhǎng)軸向探測(cè)管結(jié)果,該結(jié)論與TZ-1一致;當(dāng)1.05≤Ma≤1.2時(shí),TZ-8各靜壓測(cè)點(diǎn)移測(cè)區(qū)的馬赫數(shù)均方根偏差量σMa全部高于C-T結(jié)果,說明超聲速時(shí)采用靜壓探針移測(cè)方式測(cè)量模型區(qū)核心流馬赫數(shù)不可行。

表2 C-T與TZ-8移測(cè)區(qū)馬赫數(shù)均方根偏差測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)Ma≤0.95時(shí),TZ-1以及TZ-8采用移測(cè)方式獲取核心流馬赫數(shù)分布有效避免了C-T靜壓測(cè)孔一致性差異帶來的影響,測(cè)值精度更高,馬赫數(shù)測(cè)值曲線波動(dòng)小,移測(cè)區(qū)的均方根偏差量比C-T結(jié)果更低,說明亞聲速時(shí)采用靜壓探針移測(cè)方式測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)段模型區(qū)核心流馬赫數(shù)可行。

2) TZ-8的8個(gè)靜壓測(cè)孔自身一致性差異在亞聲速時(shí)較為明顯,從測(cè)值結(jié)果看是引起測(cè)值曲線波動(dòng)的主要因素。

3) 當(dāng)1.0≤Ma≤1.2時(shí)采用移測(cè)裝置獲取核心流馬赫數(shù)時(shí),靜壓探針移測(cè)到不同位置時(shí)測(cè)點(diǎn)靜壓受到干擾影響不同,導(dǎo)致測(cè)值結(jié)果與長(zhǎng)軸向探測(cè)管差異明顯,說明超聲速時(shí)采用靜壓探針移測(cè)方式測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)段模型區(qū)核心流馬赫數(shù)不可行。