利用M1.4噴管和開孔壁試驗段實現(xiàn)低超聲速流場實驗研究

劉 琴 ,陳志強(qiáng) ,申 江,符 澄,王海峰

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

飛行器在跨聲速范圍(M=0.8～1.4)飛行時,其氣動特性十分復(fù)雜,對試驗?zāi)M參數(shù)(如Ma數(shù),Re數(shù))和試驗條件都十分敏感,2.4m×2.4m跨聲速風(fēng)洞作為中國唯一的2m量級的大型地面模擬試驗設(shè)備,其試驗馬赫數(shù)范圍為M=0.3～1.2,不具備低超聲速的試驗?zāi)芰?無法滿足飛行器在研制過程中對該速度范圍的試驗需求,嚴(yán)重制約了2.4m×2.4m風(fēng)洞在飛行器研制中的作用發(fā)揮,因此,非常有必要拓展2.4m×2.4m風(fēng)洞試驗馬赫數(shù)范圍,使其具備M1.4的低超聲速試驗?zāi)芰?以滿足未來先進(jìn)飛行器跨、超聲速氣動特性精細(xì)化試驗與分析的需求。

根據(jù)2.4m×2.4m風(fēng)洞結(jié)構(gòu)狀態(tài),考慮通過新增設(shè)M1.4噴管與現(xiàn)有的開孔壁試驗段配套使用的方式來實現(xiàn)低超聲速流場。目前,國內(nèi)在該方面尚未進(jìn)行過較為系統(tǒng)的實驗研究工作,因此,為了研究M1.4噴管和開孔壁試驗段組合狀態(tài)下能否實現(xiàn)低超聲速流場、所建立的低超聲速流場品質(zhì)能否滿足試驗需求,以及風(fēng)洞的開車參數(shù)和洞體條件對流場的影響等內(nèi)容,在2.4m×2.4m風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞(FL-26y)上開展了相關(guān)的實驗研究工作。該項實驗研究不僅為2.4m×2.4m風(fēng)洞增設(shè)M1.4噴管使其具備M1.4的低超聲速試驗?zāi)芰μ峁┝思夹g(shù)支持,同時也為該風(fēng)洞在下一階段正式開展M1.4流場調(diào)試提供了可供參考的調(diào)試參數(shù)。

1 實驗設(shè)備及實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

FL-26y是一座由多噴嘴引射器驅(qū)動的、回流式的跨聲速風(fēng)洞,是2.4m×2.4m引射式跨聲速風(fēng)洞按1/10縮比建造的模型風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗段截面尺寸為0.24m×0.2m,長0.675m,試驗馬赫數(shù)范圍為M=0.3～1.2(M1.4、M1.8)。該風(fēng)洞的設(shè)計為“積木式”的,其試驗段、支架段、柵指二喉道段、第一拐角段、排氣段、主引射器和混合室、第三拐角段、消聲器、第四拐角段、穩(wěn)定段和噴管段均為可拆卸部段,以便方便地安裝各種實驗件。風(fēng)洞氣動輪廓圖見圖1。

圖1 FL-26y風(fēng)洞Fig.1 FL-26y wind tunnel

該風(fēng)洞試驗段配置有一套實壁板和兩套孔壁板(壁板A和壁板B),通過壁板的更換,風(fēng)洞試驗段可以是四壁開孔試驗段、上下壁為孔壁左右壁為實壁或四壁均為實壁等不同開孔率的試驗段。壁板A為60°的斜孔壁,孔徑為 3mm,上下壁開斜孔率為4.1%。左右孔壁上設(shè)置有長270mm寬120mm的長圓孔觀察窗,其中一側(cè)壁還設(shè)有100mm的轉(zhuǎn)窗,左右側(cè)壁開孔率為1.8%,見圖2(a)。壁板B為60°的斜孔壁和槽壁組合壁板,斜孔孔徑為3mm,上下壁開孔率為7.5%。左右側(cè)壁的開孔率為4.3%孔壁+12%的槽壁,見圖2(b)。

風(fēng)洞試驗段左右壁平行,上下壁角度可調(diào),調(diào)節(jié)范圍為-0.5°～+1°。模型支架段上下及左右壁板均可調(diào)節(jié),在試驗段出口構(gòu)成試驗段主流引射縫氣流通道形成主流引射方式。上下調(diào)節(jié)縫的最大開度可以調(diào)到 24mm,左右調(diào)節(jié)縫的最大開度可以調(diào)到40mm。

實驗所使用的主要測試儀器為PSI公司的9116型壓力掃描閥,量程±1.5×105Pa,精度0.05%。

圖2 開孔壁板實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of perforated wall

1.2 實驗方法

利用新設(shè)計加工的M1.4噴管的實驗件,在固定風(fēng)洞主引射器參數(shù)、柵指位置、主排氣閥和輔排氣閥開度的情況下,通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓p0、輔引集氣室壓力 p′0(即駐室抽氣量)等開車參數(shù)和擴(kuò)開角 α、主流引射縫開度h、開孔壁開孔率等洞體條件,測量試驗段軸向馬赫數(shù)分布,計算出試驗段模型區(qū)(距試驗段入口195～495mm)的馬赫數(shù)均方根偏差σM,得出不同參數(shù)對試驗段流場的影響規(guī)律,驗證所得到的低超聲速流場能否滿足實驗需求,并找出M1.4時試驗段流場最優(yōu)狀態(tài)下的開車參數(shù)和洞體條件。

2 實驗結(jié)果與分析

在風(fēng)洞洞體條件為：主引射器面積比為0.055、引射馬赫數(shù)為2.0、噴嘴數(shù)量8個;柵指零位;主排氣閥全開;輔排氣閥全開,試驗段壁板為壁板A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%);主流引射縫開度為25mm;擴(kuò)開角為0°時,在穩(wěn)定段總壓分別為 p0=1.3×105Pa、1.4×105Pa、1.5×105Pa、1.6×105Pa,輔引集 氣 室 壓 力分別為 p′0=0Pa、6.9 ×105Pa、8.2 ×105Pa、9.6 ×105Pa、10.6 ×105Pa、11.5×105Pa(所對應(yīng)的駐室抽氣量分別為0.5%、0.8%、1.7%、2.8%和3.5%)的各種組合情況下測量了駐室參考點馬赫數(shù),測量結(jié)果見表1。

根據(jù)測量結(jié)果可以看出在穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa,輔引集氣室壓力大于10.6×105Pa時,或穩(wěn)定段總壓為1.6×105Pa,輔引集氣室壓力大于8.2×105Pa時,試驗段才能得到M1.4的低超聲速流場。

表1 不同開車參數(shù)下駐室參考點馬赫數(shù)Table 1 Mach number in the plenum chamber of different operation parameters

2.1 開車參數(shù)研究實驗

圖3為穩(wěn)定段總壓為 1.5×105Pa和 1.6×105Pa時,不同駐室抽氣量下試驗段軸向馬赫數(shù)分布曲線。

圖3 不同駐室抽氣量下試驗段軸向馬赫數(shù)分布曲線Fig.3 Axial Mach number distribution curves for different evacuation flow from the plenum chamber

從以上實驗結(jié)果可以看出,在洞體條件相同的情況下,試驗段流場均勻性是由穩(wěn)定段總壓和駐室抽氣量共同影響的,兩者需協(xié)調(diào)組合才能得到最佳的流場。在相同穩(wěn)定段總壓下,隨著駐室抽氣量增加,試驗段流場品質(zhì)會有所改善。比較穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa和1.6×105Pa兩種情況下的流場,可見其最佳流場的馬赫數(shù)均方根偏差相差不大,但是穩(wěn)定段總壓為1.6×105Pa時,風(fēng)洞的耗氣量要大很多,因此,綜合考慮各方面因素還是穩(wěn)定段總壓為1.5×105Pa時開車參數(shù)最優(yōu)。

2.2 洞體條件研究實驗

圖4為不同擴(kuò)開角時試驗段軸向馬赫數(shù)的對比曲線?？梢缘贸觯翰煌臄U(kuò)開角對試驗段流場均勻性有一定的影響。在風(fēng)洞運(yùn)行方式為主流引射+駐室抽氣方式時,試驗段的擴(kuò)開角越小流場的均勻性越好。在本實驗中擴(kuò)開角為0°時試驗段流場優(yōu)于擴(kuò)開角+0.3°和+0.5°時的試驗段流場。

圖5為不同引射縫開度時試驗段軸向馬赫數(shù)的對比曲線。由圖可以得出：隨著引射縫開度的增大,試驗段流場的均勻性改變不大。在主流引射縫開度為0、14和25mm時,試驗段馬赫數(shù)均方根偏差變化很小,可見在試驗段有駐室抽氣的情況下,主流引射縫開度對試驗段流場均勻性的影響是很小的。

圖4 不同擴(kuò)開角時試驗段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.4 Axial Mach number distribution curves for different diffuser angle in the test section

圖5 不同引射縫開度時試驗段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.5 Axial Mach number distribution curves for different open width of the mainstream ejected slot

圖6為不同壁板開孔率時試驗段軸向馬赫數(shù)的對比曲線。由實驗結(jié)果可以看出：在試驗段上下壁為貼一半孔的壁板B(壁開孔率3.75%),左右壁為實壁時,試驗段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0179;在試驗段采用壁板 A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%)時,試驗段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0072;在試驗段上下壁為壁板B(壁開孔率7.5%),左右壁為實壁時,試驗段馬赫數(shù)均方根偏差為0.0171?？梢?不同壁板開孔率對試驗段流場的均勻性影響比較明顯,根據(jù)現(xiàn)有條件可以得出試驗段壁板的開孔率太小或太大都會給試驗段流場帶來不好的影響,使流場的均勻性變差。

圖6 不同壁板開孔率時試驗段軸向馬赫數(shù)對比曲線Fig.6 Axial Mach number distribution curves for different porosity in the perforated wall

表2匯總了在穩(wěn)定段總壓p0=1.5×105Pa,輔引集氣室壓力p′0=11.5×105Pa的開車參數(shù)時不同洞體條件下的實驗結(jié)果,由表中數(shù)據(jù)可見,在各種組合情況下,擴(kuò)開角為0°,主流引射縫開度為25mm,試驗段壁板為壁板A時,所建立的 M=1.4的流場最優(yōu),其馬赫數(shù)均方根偏差σM=0.0072,能夠滿足國軍標(biāo)合格指標(biāo)的要求。

表2 不同組合參數(shù)下實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of different combined parameters

3 結(jié) 論

由實驗結(jié)果可以得出以下幾點結(jié)論：

(1)通過M1.4噴管和開孔壁試驗段組合,建立起M1.4的低超聲速流場,且流場品質(zhì)能夠滿足國軍標(biāo)合格指標(biāo)的要求;

(2)駐室抽氣量對試驗段流場均勻性有一定的影響,在穩(wěn)定段總壓相同的情況下,隨著駐室抽氣量的增加試驗段流場會有所改善;

(3)擴(kuò)開角對試驗段流場均勻性有較為明顯的影響,在風(fēng)洞運(yùn)行方式為“主流引射+駐室抽氣”方式時,試驗段的擴(kuò)開角越小流場的均勻性越好;

(4)主流引射縫開度對試驗段流場影響較小;

(5)試驗段壁板的開孔率對試驗段流場的均勻性影響較大,選擇適當(dāng)?shù)谋诎彘_孔率可以改善試驗段流場的均勻性。

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