細(xì)長(zhǎng)體大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的高速PIV風(fēng)洞試驗(yàn)研究

賀 中，吳軍強(qiáng)，蔣衛(wèi)民，吳繼飛

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

為了提高先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，通常對(duì)其飛行的機(jī)動(dòng)性和敏捷性提出了很高的要求。飛行器的高機(jī)動(dòng)、高敏捷往往是通過(guò)大迎角飛行甚至過(guò)失速機(jī)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，具有細(xì)長(zhǎng)前體構(gòu)型的飛行器在大迎角繞流中會(huì)出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱(chēng)渦系流動(dòng)及其伴隨而來(lái)的非對(duì)稱(chēng)力（矩），如圖1。

圖1 前體渦示意圖Fig.1 Schematic of forbody vortex patterns

自從發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)體在大迎角、零側(cè)滑角下會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)非對(duì)稱(chēng)以及非對(duì)稱(chēng)氣動(dòng)力現(xiàn)象以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此已經(jīng)開(kāi)展了大量研究［1－15］，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，對(duì)細(xì)長(zhǎng)體大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入。然而大迎角流動(dòng)十分復(fù)雜，對(duì)各種影響因素都極其敏感，主要包括迎角、頭尖擾動(dòng)、前體橫截面形狀、頭尖半頂角、頭部鈍度、長(zhǎng)細(xì)比、Reynolds數(shù)、Mach數(shù)等。目前還有許多問(wèn)題有待研究，其中尤其是壓縮性效應(yīng)（Mach數(shù)影響）的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。由于在低速范圍非對(duì)稱(chēng)渦產(chǎn)生的非對(duì)稱(chēng)側(cè)向力系數(shù)和偏航力矩系數(shù)顯得比較大，再加上低速研究條件比較充足一些，所需研究成本也低一些，因此以前研究大多數(shù)集中于低速范圍。但是，飛行武器也常常在高速飛行時(shí)碰到這種非對(duì)稱(chēng)渦的問(wèn)題，尤其是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的大部分機(jī)動(dòng)飛行出現(xiàn)在高速范圍。因此，空氣動(dòng)力學(xué)科的發(fā)展和現(xiàn)代飛行器的研制都需要進(jìn)行高速非對(duì)稱(chēng)渦現(xiàn)象研究，系統(tǒng)地研究大迎角流動(dòng)特性的壓縮性影響。

由此，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所0.6m亞跨超聲速風(fēng)洞中，以尖拱細(xì)長(zhǎng)旋成體為研究對(duì)象，通過(guò)模型表面壓力測(cè)量、粒子圖像測(cè)速（PIV）等測(cè)量手段，對(duì)高速條件下細(xì)長(zhǎng)旋成體大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)開(kāi)展了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。本文重點(diǎn)介紹了其中采用PIV技術(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體大迎角流動(dòng)的空間流場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的渦量分布、速度矢量分布的變化的分析，討論了高速條件下細(xì)長(zhǎng)體大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的變化情況。

1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

1.1 風(fēng) 洞

試驗(yàn)于2010年8月在氣動(dòng)中心高速所FL－23 0.6m高速風(fēng)洞中完成。該風(fēng)洞是一座試驗(yàn)段橫截面尺寸為0.6m×0.6m的直流暫沖下吹式三聲速風(fēng)洞，風(fēng)洞M數(shù)運(yùn)行范圍為0.3～4.0。試驗(yàn)中采用可投放的下單臂迎角機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)迎角范圍為－10°～50°。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎眉夤埃瓐A柱旋成體模型，其圓柱段直徑D為0.05m，尖拱段頭部長(zhǎng)度為3D，模型總長(zhǎng)為10D。該模型兼顧測(cè)壓試驗(yàn)，模型表面上布置了9個(gè)剖面共計(jì)172個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。為了考察頭部擾動(dòng)與非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系，模型的頭尖段（軸向長(zhǎng)為0.02m）可任意旋轉(zhuǎn)周向角度。采用陶瓷小球作為模型頭尖部人工微擾動(dòng)。小球直徑約為0.1mm，人工微擾動(dòng)粘貼在模型頭尖部。在進(jìn)行PIV試驗(yàn)時(shí)，為了防止模型表面反光，對(duì)模型表面噴涂了黑色涂料。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中照片見(jiàn)圖2。

圖2 模型在風(fēng)洞中照片F(xiàn)ig.2 Photo of the test model in the wind tunnel

1.3 PIV測(cè)試系統(tǒng)

粒子圖像測(cè)速（PIV）可得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)各點(diǎn)的速度、渦量、流線(xiàn)以及等速度線(xiàn)等流場(chǎng)特性參數(shù)分布。PIV系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成：硬件主要由示蹤粒子發(fā)生器、雙脈沖激光器、光路系統(tǒng)、數(shù)字相機(jī)、圖像校準(zhǔn)板、同步控制器、圖像采集板和計(jì)算機(jī)組成；軟件包括圖像采集、顯示、速度場(chǎng)計(jì)算處理和分析顯示軟件。

示蹤粒子發(fā)生器有40個(gè)Laskin噴管，可使用DEHS或橄欖油作為粒子材料；雙脈沖激光器為KSP－600，波長(zhǎng)532nm，單脈沖功率600mJ，系統(tǒng)配備了1.8m長(zhǎng)的激光光導(dǎo)臂，有三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)；CCD分辨率為2k×2k。圖像處理軟件為MicroVec3，軟件具有圖像采集、速度場(chǎng)計(jì)算處理和顯示功能。本次試驗(yàn)采樣禎頻為5Hz，每次采集15幀速度場(chǎng)。速度場(chǎng)網(wǎng)格32像素×32像素。測(cè)量結(jié)果用Tecplot軟件進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

PIV試驗(yàn)測(cè)量尖拱旋成體的橫截面流場(chǎng)，測(cè)量剖面位置分別為x／D＝2.0、3.35、5.35，M數(shù)范圍為0.4～1.2，迎角為40°，側(cè)滑角為0°。

2.1 自然擾動(dòng)下的測(cè)量結(jié)果

圖3（a～c）分別給出了在自然擾動(dòng)情況（不加任何人工擾動(dòng)的基本外形狀態(tài)）下，M＝0.4、0.6、0.8和α＝40°時(shí)，x／D＝3.35測(cè)量截面的PIV試驗(yàn)結(jié)果。該截面位于緊靠尖拱頭部結(jié)束后的等直段，低速情況下的大量研究結(jié)果以及這兩期高速測(cè)壓結(jié)果表明，x／D＝3.35截面附近的流動(dòng)非對(duì)稱(chēng)性最大。

圖3 自然擾動(dòng)下x／D＝3.35截面的PIV測(cè)量結(jié)果Fig.3 PIV test results at x／D＝3.35with nature disturbance

PIV測(cè)量結(jié)果顯示，在自然擾動(dòng)情況下，M＝0.4和0.6（對(duì)應(yīng)的橫流馬赫數(shù)Mc＜0.42）時(shí)，x／D＝3.35截面處都可以看到除物面附近的2個(gè)渦外，還存在一個(gè)漂離物面的脫落渦。而M＝0.8（對(duì)應(yīng)的橫流馬赫數(shù)Mc＝0.514＞0.42）時(shí)，沒(méi)有漂在空間的脫落渦，說(shuō)明在該條件下頭尖部生成的一對(duì)渦的非對(duì)稱(chēng)性發(fā)展相對(duì)更弱。

2.2 人工擾動(dòng)下的測(cè)量結(jié)果

圖4分別給出了在人工擾動(dòng)（γA＝315°）情況下，M＝0.4、0.6、0.8和α＝40°時(shí)，測(cè)量的x／D＝2.0截面和x／D＝3.35截面的PIV試驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)頭尖部粘貼微擾動(dòng)后，可以清楚地看到x／D＝3.35截面有微擾動(dòng)的同側(cè)渦升高，渦量增強(qiáng)，非對(duì)稱(chēng)性增加；并且，從x／D＝2.0截面的流場(chǎng)圖看，此時(shí)仍然是2渦系，說(shuō)明人工微擾動(dòng)確實(shí)能夠影響背風(fēng)渦系結(jié)構(gòu)。其影響機(jī)制是，人工微擾動(dòng)引入的干擾在附面層中沿流向非線(xiàn)性放大，導(dǎo)致同側(cè)渦位置升高形成高位渦（PIV結(jié)果顯示還導(dǎo)致3渦系在模型軸向位置提前），而不是人工微擾動(dòng)本身產(chǎn)生一個(gè)渦來(lái)改變背風(fēng)渦結(jié)構(gòu)。

圖5分別給出了在人工擾動(dòng)情況下，M＝0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和α＝40°時(shí)，測(cè)量的x／D＝5.35截面的PIV試驗(yàn)結(jié)果。x／D＝5.35截面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與x／D＝3.35截面相似，只是漂離的高位渦位置更高，靠近物面的一對(duì)渦系的渦量增加。隨來(lái)流M數(shù)增加，流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示為兩類(lèi)：一類(lèi)是M＝0.4和0.6時(shí)的三渦系結(jié)構(gòu)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫流馬赫數(shù)Mc＜0.42；另一類(lèi)是M＝0.8、1.0和1.2時(shí)的兩渦系結(jié)構(gòu)，并且隨M數(shù)增加對(duì)稱(chēng)性增強(qiáng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Mc＞0.42。

圖4 人工擾動(dòng)下x／D＝2.0和3.35截面的PIV測(cè)量結(jié)果Fig.4 PIV test results at x／D＝2.0 ＆3.35with artificial disturbance

圖5 人工擾動(dòng)下x／D＝5.35截面的PIV測(cè)量結(jié)果Fig.5 PIV test results at x／D＝5.35with artificial disturbance

前期的測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果［16］顯示，馬赫數(shù)變化對(duì)尖拱細(xì)長(zhǎng)旋成體非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)的影響存在一個(gè)臨界值（大致為橫流馬赫數(shù)Mc＝0.42），可以分成兩個(gè)影響區(qū)間：在Mc＜0.42范圍，總側(cè)向力隨M數(shù)增加而增加，流動(dòng)非對(duì)稱(chēng)性增強(qiáng)；當(dāng)Mc＞0.42后，總側(cè)向力隨M數(shù)增加而迅速減小，流動(dòng)非對(duì)稱(chēng)性減弱。而本次對(duì)空間流態(tài)的PIV測(cè)量結(jié)果表明，無(wú)論自然擾動(dòng)還是人工擾動(dòng)情況下，這一結(jié)論仍然存在。

圖6分別給出了人工擾動(dòng)貼在γA＝135°和315°情況下，M＝0.4和α＝40°時(shí)x／D＝3.35截面的PIV試驗(yàn)結(jié)果。從頭尖微擾動(dòng)粘貼在左右對(duì)稱(chēng)的相對(duì)位置時(shí)的流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，可以看出，微擾動(dòng)粘貼位置從一側(cè)改變到對(duì)稱(chēng)的另一側(cè)，都使粘貼微擾動(dòng)同側(cè)的渦位置升高，因而圖6（a）和圖6（b）近似于鏡像對(duì)稱(chēng)。該結(jié)果說(shuō)明，在高速（跨臨界雷諾數(shù)范圍）情況下，頭尖部的微擾動(dòng)仍然能有效地影響流動(dòng)的非對(duì)稱(chēng)性。

圖6 不同人工擾動(dòng)位置下的PIV測(cè)量結(jié)果Fig.6 PIV test results with different positions of artificial disturbance

雖然PIV測(cè)量的流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示了在高速情況下模型頭尖部人工微擾動(dòng)仍然起作用，即模型頭尖部人工微擾動(dòng)與非對(duì)稱(chēng)渦（空間流態(tài)）之間存在確定的響應(yīng)關(guān)系，但在測(cè)壓結(jié)果顯示的模型各截面的側(cè)向力（物面上的氣動(dòng)力）與模型頭尖部人工微擾動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系并不象低速情況下那么明確，即文獻(xiàn)［14］等提到的雙周期和雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，以及人工擾動(dòng)情況下旋轉(zhuǎn)不同模型頭尖得到的側(cè)向力變化趨于一致。作者認(rèn)為應(yīng)該從雷諾數(shù)影響方面找原因。

由于試驗(yàn)條件的限制，所進(jìn)行的高速風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)雷諾數(shù)主要處于跨臨界雷諾數(shù)范圍。圖7給出了本次試驗(yàn)中通過(guò)模型表面壓力測(cè)量獲得的典型測(cè)壓曲線(xiàn)結(jié)果，從截面壓力系數(shù)變化曲線(xiàn)可以看出流動(dòng)表現(xiàn)為跨臨界Re數(shù)的流動(dòng)。繞模型的附面層流動(dòng)經(jīng)歷從層流到湍流，模型兩側(cè)邊界層發(fā)展不對(duì)稱(chēng)引起的對(duì)模型表面壓力的不對(duì)稱(chēng)，要大于非對(duì)稱(chēng)渦引起的模型表面壓力不對(duì)稱(chēng)。本次試驗(yàn)結(jié)果還表明，在臨界Re數(shù)范圍（ReD＝0.2×106～2.0×106），Re數(shù)對(duì)尖拱細(xì)長(zhǎng)旋成體大迎角非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)有明顯影響，Re數(shù)效應(yīng)與壓縮性效應(yīng)混雜，要研究純粹的壓縮性效應(yīng)影響，必須扣除Re數(shù)效應(yīng)影響因素。

圖7 典型測(cè)壓結(jié)果Fig.7 The results of pressure measurement

3 結(jié) 論

（1）在高速情況下，細(xì)長(zhǎng)旋成體的大迎角流動(dòng)仍然可能出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的多渦系流動(dòng)結(jié)構(gòu)；

（2）壓縮性對(duì)細(xì)長(zhǎng)旋成體大迎角流動(dòng)的非對(duì)稱(chēng)性有影響，橫流馬赫數(shù)Mc＝0.42是一個(gè)臨界值，小于該值則存在較明顯的非對(duì)稱(chēng)性，大于該值則非對(duì)稱(chēng)性顯著減?。?/p>

（3）模型頭尖部人工微擾動(dòng)與大迎角非對(duì)稱(chēng)渦（空間流態(tài)）之間存在確定的響應(yīng)關(guān)系，但對(duì)高速測(cè)壓結(jié)果影響規(guī)律不明顯；

（4）壓縮性效應(yīng)和Re數(shù)效應(yīng)均對(duì)流動(dòng)非對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生影響，研究壓縮性效應(yīng)必須考慮Re數(shù)效應(yīng)。

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