污染組分對(duì)高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)影響研究

姜宏亮, 劉坤偉, 金 熠, 朱雨建, 楊基明, 吳穎川

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系, 合肥 230027; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心, 合肥 230027; 3. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽 621000)

污染組分對(duì)高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)影響研究

姜宏亮1, 劉坤偉1, 金 熠2, 朱雨建1, 楊基明1, 吳穎川3

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系, 合肥 230027; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心, 合肥 230027; 3. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽 621000)

在燃燒加熱風(fēng)洞中進(jìn)行的地面模擬試驗(yàn)，高焓氣流成分有別于純凈空氣，這種污染現(xiàn)象給試驗(yàn)結(jié)果帶來了一定的不確定性。為了考察污染組分對(duì)高超聲速模型試驗(yàn)流場(chǎng)的影響，在激波風(fēng)洞中通過調(diào)節(jié)激波強(qiáng)度以及添加一定量的污染組分(H2O和CO2)來模擬燃燒加熱風(fēng)洞的來流條件，采用簡化的不同角度斜劈來模擬飛行器試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)來流的壓縮作用，結(jié)合近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)測(cè)量系統(tǒng)獲取模型流場(chǎng)的靜溫，綜合多組數(shù)據(jù)對(duì)比分析和研究污染組分對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)影響的特征和規(guī)律。結(jié)果表明，污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對(duì)來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切的關(guān)系；對(duì)于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗(yàn)而言，不同含量的CO2污染組分對(duì)流場(chǎng)靜溫影響不明顯；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達(dá)到一定程度，污染效應(yīng)的顯現(xiàn)則漸趨明顯。

高超聲速；燃燒加熱風(fēng)洞；污染；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)

0 引 言

目前，我國吸氣式高超聲速飛行器技術(shù)研究正進(jìn)入一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期，其中地面試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)高超聲速飛行復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理、預(yù)測(cè)和考核高超聲速飛行器性能不可缺少的重要手段，也是降低飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵一環(huán)。

目前開展的高超聲速飛行器地面模擬試驗(yàn)中，燃燒加熱風(fēng)洞以其所具有的低成本、大流量和易于實(shí)現(xiàn)模擬焓值等明顯優(yōu)勢(shì)成為地面模擬設(shè)備中的佼佼者，尤其是較大尺度的高焓試驗(yàn)大部分都在這類風(fēng)洞中進(jìn)行。然而，燃燒加熱風(fēng)洞產(chǎn)生的模擬高焓試驗(yàn)氣體的組分卻無法做到與真實(shí)大氣來流相同，即試驗(yàn)氣流不可避免地?cái)y帶燃燒加熱過程所造成的污染組分，這將給試驗(yàn)結(jié)果帶來一定不確定性，因此研究污染組分的影響具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

國內(nèi)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)污染問題的研究起步比較晚。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、西北工業(yè)大學(xué)和四川大學(xué)等單位在污染組分對(duì)超聲速燃燒和推進(jìn)性能的影響以及污染組分對(duì)燃料燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程影響等方面開展了實(shí)驗(yàn)研究[1-4]；另外，南京航天航空大學(xué)和中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心[1,5]對(duì)污染問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

國外對(duì)污染問題的研究開始比較早，Edelman等[6]在1969年的工作中，計(jì)算和分析了污染組分可能產(chǎn)生影響的多個(gè)方面，涉及設(shè)備噴管中水的凝結(jié)和熱化學(xué)振動(dòng)非平衡過程、燃料點(diǎn)火和反應(yīng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能等，這被認(rèn)為是污染效應(yīng)研究的起點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，國外研究學(xué)者開展了眾多污染組分影響的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[7-10]。

迄今所開展的諸多研究主要集中于污染對(duì)燃料燃燒過程以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和推進(jìn)性能影響等方面，而針對(duì)地面模擬設(shè)備及在這些設(shè)備上進(jìn)行的模型試驗(yàn)過程中氣流熱力參數(shù)以及氣動(dòng)特性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果所受污染影響方面,作者尚未見到深入細(xì)致的系統(tǒng)性研究。事實(shí)上，當(dāng)風(fēng)洞試驗(yàn)氣體中存在污染組分時(shí)，由于有效分子量、比熱比等熱力參數(shù)的改變，一方面風(fēng)洞流場(chǎng)參數(shù)將發(fā)生變化，另一方面模型試驗(yàn)流場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，從而影響到試驗(yàn)結(jié)果。

本文主要關(guān)注污染組分對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)帶來的影響，從以下兩個(gè)角度考察此影響的特征和規(guī)律：

(1) 在風(fēng)洞來流靜溫相同的情況下，模型前體壓縮面角度不同或者模型攻角變化時(shí)，即氣流所受模型的壓縮程度改變時(shí)，不同含量的污染組分對(duì)模型流場(chǎng)靜溫的影響程度可能存在差異；

(2) 在模型壓縮面角度相同的情況下，若風(fēng)洞來流靜溫不同，污染組分對(duì)經(jīng)歷模型壓縮后流場(chǎng)靜溫的影響程度也可能存在差異，并且此差異可能與模型壓縮量大小有關(guān)系。

試驗(yàn)在激波風(fēng)洞中進(jìn)行，添加污染組分的方法既可模擬燃燒加熱風(fēng)洞相同的來流條件，又可回避燃燒加熱風(fēng)洞所面臨的污染組分與加熱條件難以解耦的難題，可針對(duì)特定污染組分進(jìn)行細(xì)致研究。在測(cè)量技術(shù)方面，傳統(tǒng)的測(cè)溫手段由于其接觸式測(cè)量易對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾且難以獲得靜溫?cái)?shù)據(jù)，因此采用近年來快速發(fā)展的近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜(TDLAS)[11-17]技術(shù)，在不干擾流場(chǎng)的前提下獲取試驗(yàn)流場(chǎng)的實(shí)時(shí)靜溫參數(shù)?；陟o溫測(cè)量結(jié)果，本文重點(diǎn)關(guān)注CO2污染組分對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)影響的因素和規(guī)律，以期獲得有價(jià)值的機(jī)理認(rèn)識(shí)并為燃燒加熱風(fēng)洞試驗(yàn)方案的擬定乃至于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理提供有益參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，在激波風(fēng)洞試驗(yàn)氣體中添加一定量的H2O以及不同含量的CO2。其中，H2O作為TDLAS試驗(yàn)系統(tǒng)(水蒸氣吸收)的示蹤氣體，同時(shí)也可以模擬碳?xì)淙剂先紵a(chǎn)物；在保證同組試驗(yàn)風(fēng)洞噴管出口靜溫不變的基礎(chǔ)上，基于TDLAS測(cè)量系統(tǒng)獲取不同CO2摩爾含量來流條件下斜劈模型流場(chǎng)靜溫-時(shí)間曲線，以探求CO2含量可能對(duì)不同角度斜劈模型流場(chǎng)靜溫參數(shù)帶來的變化。

為突出重點(diǎn)和簡化問題的復(fù)雜性，試驗(yàn)中采用的簡化模型為25°和40°斜劈，來模擬不同類型高超聲速飛行器中幾何構(gòu)型條件以及姿態(tài)變化所造成的壓縮劇烈程度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文所采用的試驗(yàn)設(shè)備是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)KDJB-500激波風(fēng)洞(見圖1)，其驅(qū)動(dòng)段長7m，被驅(qū)動(dòng)段長14m，利用氮?dú)饣蛘吆庾鳛轵?qū)動(dòng)氣體。激波風(fēng)洞配有出口直徑Φ500mm的Ma6.0噴管。

圖1 激波風(fēng)洞示意圖

激波風(fēng)洞利用激波壓縮產(chǎn)生高焓試驗(yàn)氣體，通過調(diào)節(jié)激波強(qiáng)度以及在試驗(yàn)氣體中定量添加H2O和CO2污染組分模擬燃燒加熱風(fēng)洞的來流條件(總溫、總壓以及來流組分)。利用激波風(fēng)洞所具有的靈活、經(jīng)濟(jì)和試驗(yàn)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)較為豐富的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)開展系列的變工況試驗(yàn)以及相應(yīng)的定量測(cè)量與分析。 鑒于H2O易于出現(xiàn)凝結(jié)問題，其添加過程相對(duì)于CO2等其它氣體較為復(fù)雜。本試驗(yàn)中采取的具體添加方式為：利用一定溫度下壓力低于飽和蒸氣壓時(shí)液態(tài)水即可沸騰的特性，首先將激波風(fēng)洞被驅(qū)動(dòng)段壓力抽至近真空狀態(tài)，通過儲(chǔ)存液態(tài)水的容器向被驅(qū)動(dòng)段(沸騰)添加氣態(tài)水蒸氣。為添加3kPa的初始H2O分壓，儲(chǔ)存液態(tài)水的容器由27℃水浴恒溫，以維持提供所需的飽和蒸氣壓；另外，利用恒溫加熱裝置使被驅(qū)動(dòng)段管體溫度達(dá)到30℃，以保證水蒸氣不會(huì)發(fā)生凝結(jié)。真空泵和水蒸氣注入口分別位于被驅(qū)動(dòng)段的兩端，注入過程中，給予真空泵足夠時(shí)間的抽排，以保證充入水蒸氣的純度，利用數(shù)字壓力表顯示的壓力監(jiān)測(cè)水蒸氣的分壓。

1.3 TDLAS測(cè)量系統(tǒng)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

TDLAS技術(shù)是利用特定波長的近紅外激光能量被特定氣體分子吸收形成吸收光譜的原理來測(cè)量流場(chǎng)溫度的一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)，本文利用水蒸氣的吸收光譜測(cè)量高超聲速試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)靜溫[11]。

試驗(yàn)采用TDLAS波長掃描法，基于兩組吸收線對(duì)進(jìn)行測(cè)量(7185.60cm-1/7168.44cm-1以及 7095.86cm-1/7168.44cm-1)。在本文的測(cè)量條件下，7185.60cm-1/7168.44cm-1吸收線對(duì)在500K左右有較高的測(cè)量靈敏度，而7095.86cm-1/7168.44cm-1吸收線對(duì)在300K左右有較高的測(cè)量靈敏度。TDLAS測(cè)量頻率15kHz,采集系統(tǒng)是泰克DPO3014示波器，采樣率50MS/s，采樣時(shí)間100ms。

TDLAS測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2路半鋸齒波驅(qū)動(dòng)電流控制器，通過溫度控制器和電流控制器分別控制2個(gè)不同中心頻率的激光器，產(chǎn)生波長連續(xù)變化的紅外激光，所產(chǎn)生的激光通過單模光纖傳輸?shù)斤L(fēng)洞試驗(yàn)艙內(nèi)并通過固定在模型壁面的準(zhǔn)直器聚焦。穿過待測(cè)流場(chǎng)的激光經(jīng)過收集器收集，利用多模光纖傳輸?shù)皆囼?yàn)艙外部，再由外部的透鏡聚焦增強(qiáng)，進(jìn)入接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。

由于測(cè)量中所使用的紅外激光通過光纖傳輸進(jìn)出試驗(yàn)艙，因而有效防止了風(fēng)洞試驗(yàn)艙真空環(huán)境以及試驗(yàn)氣流對(duì)激光器等精密裝置的影響，同時(shí)也大幅降低了內(nèi)置測(cè)量裝置對(duì)風(fēng)洞氣流的干擾。

圖2 TDLAS試驗(yàn)裝置示意圖

鑒于系統(tǒng)中部分光路暴露在艙外空氣中，試驗(yàn)中通過加保護(hù)罩和氮?dú)獯党姆椒?，消除空氣中的水蒸氣干擾試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)測(cè)量模型如圖3所示，利用底部支架將模型固定在風(fēng)洞模型支架上，模型側(cè)板一方面用于截取風(fēng)洞出口的均勻來流，保證流場(chǎng)在斜劈壓縮過程中的二維性，另一方面還可用來固定準(zhǔn)直器、接收器和保護(hù)劈罩等艙內(nèi)連接器件，防止試驗(yàn)氣流沖擊可能造成的器件損毀與光路抖動(dòng)，減少試驗(yàn)信號(hào)的失真和噪聲。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

斜劈模型如圖4所示，為25°和40° 2個(gè)不同角度斜劈;斜劈展向?qū)挾染鶠?00mm，即TDLAS吸收長度為300mm;25°斜劈高度為70mm，40°斜劈高度為93.2mm。TDLAS測(cè)量點(diǎn)位于斜劈尾部，以保證紅外激光穿射位置位于斜劈模型壁面與試驗(yàn)流場(chǎng)斜激波之間。

圖4 模型示意圖

1.4 TDLAS試驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)定試驗(yàn)采用的測(cè)試環(huán)境為:壓力3kPa,溫度計(jì)示數(shù)為21℃(294K)，水蒸氣相對(duì)濕度約70%，選取7095.86cm-1/7168.44cm-1吸收線對(duì)進(jìn)行標(biāo)定。

圖5中，測(cè)量溫度最小值為290.8K，最大值為303.6K，測(cè)量溫度均方差為2.2K，測(cè)量溫度平均值為297.6K，溫度計(jì)示數(shù)為294K，TDLAS測(cè)量溫度與溫度計(jì)示數(shù)偏差為1.2%。

圖5 溫度隨時(shí)間變化標(biāo)定曲線

1.5 試驗(yàn)參數(shù)

按照斜劈模型角度以及來流靜溫不同，試驗(yàn)可以分為4組(見表1)，選取此4組試驗(yàn)可以對(duì)比考察在多種斜劈角度以及風(fēng)洞來流靜溫的條件下，CO2污染組分摩爾含量的變化對(duì)模型流場(chǎng)靜溫的影響特征。

表1 試驗(yàn)分組及狀態(tài)

(1) 利用試驗(yàn)2與試驗(yàn)3兩組試驗(yàn)，著重考察在風(fēng)洞來流靜溫相同的情況下，經(jīng)過不同角度斜劈模型壓縮后，流場(chǎng)靜溫與CO2污染組分摩爾含量變化的關(guān)系，其中試驗(yàn)2代表模型壓縮角度較小的試驗(yàn)，試驗(yàn)3代表模型壓縮角度較大的試驗(yàn)。

(2) 利用試驗(yàn)1/試驗(yàn)2與試驗(yàn)3/試驗(yàn)4兩大組試驗(yàn)，綜合對(duì)比分析在相同壓縮角度，不同來流溫度情況下，模型流場(chǎng)靜溫與CO2污染組分摩爾含量變化的關(guān)系，其中，試驗(yàn)1/試驗(yàn)2代表模型壓縮角度較小的試驗(yàn)，試驗(yàn)3/試驗(yàn)4代表模型壓縮角度較大的試驗(yàn)。

試驗(yàn)氣體中H2O摩爾含量保持不變(約為15%)，CO2摩爾含量從5%～25%以5%間隔變化，試驗(yàn)氣體中除H2O與CO2以外，剩余氣體均為N2，試驗(yàn)中激波風(fēng)洞詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 激波風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 激波風(fēng)洞典型運(yùn)行狀態(tài)

選取試驗(yàn)3中CO2污染組分摩爾含量為25%的試驗(yàn)作為典型示例，分析流場(chǎng)靜溫隨試驗(yàn)時(shí)間變化趨勢(shì)，圖6為TDLAS系統(tǒng)測(cè)量出的斜劈劈后流場(chǎng)靜溫隨試驗(yàn)時(shí)間變化曲線，圖7為位于激波風(fēng)洞被驅(qū)動(dòng)段端部兩個(gè)壓電傳感器的測(cè)量信號(hào)。其中通道CH1和CH2對(duì)應(yīng)的兩傳感器間距為1m,下游傳感器距離激波風(fēng)洞喉道0.7m。

圖6 典型試驗(yàn)流場(chǎng)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖7 典型試驗(yàn)壓電傳感器信號(hào)曲線

Fig.7 Signal of piezoelectric sensor-time history of the typical experiment

由于TDLAS和壓力測(cè)量均采用同一傳感器信號(hào)觸發(fā)，因此圖6和7的時(shí)間軸都是以激波風(fēng)洞中入射激波到達(dá)上游傳感器，即CH1中壓力起跳時(shí)刻為時(shí)間起點(diǎn)。由圖6可以看出，在8.5～14ms時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)流場(chǎng)的靜溫保持穩(wěn)定，14ms以后試驗(yàn)流場(chǎng)靜溫開始下降，試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束。

鑒于觸發(fā)傳感器距離激波風(fēng)洞喉道有1.7m的距離，并且氣流由風(fēng)洞駐室流經(jīng)噴管需要一定的時(shí)間，所以試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的氣體在圖6與7中對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻，兩圖中虛線之間的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的是試驗(yàn)氣體分別在駐室和噴管出口試驗(yàn)段的歷程。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7中CH1和CH2兩個(gè)傳感器測(cè)得激波風(fēng)洞入射激波的運(yùn)動(dòng)激波速度，按平衡流的激波管理論計(jì)算出激波風(fēng)洞的入射激波馬赫數(shù)以及總溫，繼而再根據(jù)噴管面積比，計(jì)算出噴管出口的靜溫。本文所做的4組試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算得到的總溫以及噴管出口靜溫分布詳見表3。

表3 試驗(yàn)總溫及噴管出口靜溫分布

由表3可以看出，每組試驗(yàn)中，CO2摩爾含量不同，所得駐室總溫有所差別，但噴管出口靜溫的偏擺卻并不大，可以認(rèn)為4組試驗(yàn)均分別實(shí)現(xiàn)了噴管出口靜溫匹配。

將試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)所測(cè)量的流場(chǎng)靜溫做平均處理，可以得出各組試驗(yàn)條件下劈后流場(chǎng)靜溫隨CO2污染組分摩爾含量的變化關(guān)系，具體結(jié)果如圖8和9所示，其中圖8匯總了試驗(yàn)1和試驗(yàn)3兩組數(shù)據(jù)(劈后靜溫相對(duì)較高)，而圖9則展示了試驗(yàn)2和試驗(yàn)4兩組數(shù)據(jù)(劈后溫度相對(duì)較低)。后續(xù)的結(jié)果討論主要圍繞圖8和9所提供的4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 試驗(yàn)1/試驗(yàn)3流場(chǎng)靜溫與CO2摩爾含量關(guān)系

Fig.8 Static temperature of Exp1 and Exp3 at different mole fractions of CO2

2.3 結(jié)果分析與討論

對(duì)比圖8和9中試驗(yàn)2與試驗(yàn)3結(jié)果可以看出，在風(fēng)洞噴管出口來流靜溫(100K左右)相同條件下，隨著CO2污染組分摩爾含量變化，25°斜劈劈后流場(chǎng)靜溫變化不明顯，40°斜劈劈后流場(chǎng)靜溫隨著CO2污染組分摩爾含量的增加而呈現(xiàn)近線性的降低。從這2組數(shù)據(jù)的比較中可以看出，較大劈角模型的劇烈壓縮顯然會(huì)促使污染效應(yīng)很容易得以體現(xiàn)。

圖9 試驗(yàn)2/試驗(yàn)4流場(chǎng)靜溫與CO2摩爾含量關(guān)系

Fig.9 Static temperature of Exp2 and Exp4 at different mole fraction of CO2

然而，與上述情況明顯不同的是，試驗(yàn)1與試驗(yàn)4的結(jié)果對(duì)比則反映出完全不同的特征。從圖8可以看出，當(dāng)風(fēng)洞噴管出口流場(chǎng)靜溫上升到170K左右以后，較低壓縮量的25°斜劈劈后流場(chǎng)靜溫顯然隨CO2摩爾含量的增加而降低，表明此時(shí)的污染效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)；而從圖9中則可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)洞噴管出口流場(chǎng)靜溫下降到70K左右時(shí)，即使對(duì)較高壓縮量的40°斜劈來說，其劈后流場(chǎng)靜溫隨CO2摩爾含量變化此時(shí)卻并不明顯。

由此可見，污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對(duì)來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗(yàn)來講，不同含量的CO2污染組分流場(chǎng)靜溫影響區(qū)別不大；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達(dá)到一定程度，污染效應(yīng)的顯露十分明顯。

究其原因，這種污染效應(yīng)主要應(yīng)歸咎于污染組分熱力特性與空氣的顯著差異。對(duì)于試驗(yàn)2與試驗(yàn)4來說，斜劈劈后流場(chǎng)溫度較低(300K左右)，CO2分子振動(dòng)效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)靜溫的影響尚未體現(xiàn)；相對(duì)而言，試驗(yàn)1與試驗(yàn)3斜劈劈后流場(chǎng)溫度較高(470K左右)，CO2分子的振動(dòng)效應(yīng)受流場(chǎng)靜溫的影響則漸趨明顯。

3 結(jié) 論

在激波風(fēng)洞中通過添加H2O和CO2污染組分來模擬燃燒加熱風(fēng)洞污染來流條件，利用TDLAS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取流場(chǎng)靜溫參數(shù)，定量研究污染組分對(duì)高超聲速風(fēng)洞模型試驗(yàn)流場(chǎng)熱力學(xué)參數(shù)影響規(guī)律。結(jié)果表明：

(1) 污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對(duì)來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切的關(guān)系；

(2) 對(duì)于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗(yàn)而言，不同含量的CO2污染組分流場(chǎng)靜溫影響不明顯；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達(dá)到較高程度，則污染效應(yīng)的顯現(xiàn)漸趨明顯。

鑒于本文試驗(yàn)尚處起步階段，參數(shù)范圍和測(cè)量精度等均存在需改進(jìn)之處。因此，更為深入和系統(tǒng)細(xì)致的研究還有待在后續(xù)工作中進(jìn)一步開展。

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(編輯：楊 娟)

An experimental investigation on the vitiation effects of hypersonic testing of aerothermal behaviors

Jiang Hongliang1, Liu Kunwei1, Jin Yi2, Zhu Yujian1, Yang Jiming1, Wu Yingchuan3

(1. Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;2. Experimental Center of Engineering and Material Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;3. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

For ground tests in a combustion-heated wind tunnel, the composition of the testing gas is different from that of the air, which may cause some unexpected deviations and result in more uncertainties. An experimental investigation on the vitiation effects of hypersonic testing is carried out with special focus on the aerothermal behaviors of the model flow. The experiments are conducted in a shock tunnel and the related combustion-heated wind tunnel flow conditions are simulated by adjusting the strengths of shock waves and adding specific mole fractions of contaminations (H2O and CO2). A couple of simplified wedge models with different deflection angles are used to characterize the typical compression of the flow by the vehicle model. The static temperatures of the wedge model flow under groups of conditions are obtained through tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) measurement system. The results indicate that the vitiation effects depend not only on the fractions of contaminants, but also strongly related to the freestream static temperature as well as the compression process of the model flow. A low temperature incoming flow with small compression angle is favorable for reducing the vitiation effects. On the other hand, if the combined interaction of the flow with the compression wall is so severe that the resulted static temperature is increased to a certain level, an obvious dependence of vitiation effects on the contaminations are readily observed.

hypersonic flow;combustion-heated wind tunnel;vitiation;TDLAS measurement

1672-9897(2015)01-0025-06

10.11729/syltlx20140016

2014-01-28;

2014-03-23

國家自然科學(xué)基金(11202204)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(WK209101000)

金熠,E-mail:yjin@ustc.edu.cn

JiangHL,LiuKW,JinY,etal.Anexperimentalinvestigationonthevitiationeffectsofhypersonictestingofaerothermalbehaviors.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 25-30. 姜宏亮, 劉坤偉, 金 熠, 等. 污染組分對(duì)高超聲速試驗(yàn)熱力學(xué)參數(shù)影響研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(1): 25-30.

V211.73

A

姜宏亮(1988-)，男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生。研究方向：高超聲速試驗(yàn)與測(cè)量。通信地址：安徽省合肥市中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系(230027)。E-mail：jianghl@mail.ustc.edu.cn