高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)中的氣流旋轉(zhuǎn)影響及消除

陳愛國(guó)，李緒國(guó)，毛春滿，孫良寶，隆永勝，楊彥廣

高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)中的氣流旋轉(zhuǎn)影響及消除

陳愛國(guó)＊，李緒國(guó)，毛春滿，孫良寶，隆永勝，楊彥廣

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

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要高品質(zhì)的來(lái)流，但部分高超聲速風(fēng)洞由于加熱器特性可能導(dǎo)致流場(chǎng)中存在氣流旋轉(zhuǎn)，為了消除或減小旋轉(zhuǎn)，提出了在風(fēng)洞穩(wěn)定段前加入反向旋轉(zhuǎn)氣流來(lái)抵消氣流旋轉(zhuǎn)的思路。為驗(yàn)證該思路及了解高超聲速流場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)程度總體效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種帶翼模型和高精度滾轉(zhuǎn)力矩天平。在Φ0.3m高超聲速低密度風(fēng)洞中進(jìn)行了M6、總壓約2×105Pa、氮?dú)獬貢r(shí)（電弧加熱器不通電）多種進(jìn)氣條件下的滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明流場(chǎng)中存在旋轉(zhuǎn)，滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl最大為1.657×10－3，采用約2%總流量的反向氣流可達(dá)到滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)的效果，為提高風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)提供了較為有效的解決措施。

高超聲速風(fēng)洞；氣流旋轉(zhuǎn)；滾轉(zhuǎn)力矩

0 引 言

高超聲速風(fēng)洞為防止實(shí)驗(yàn)氣體冷凝或復(fù)現(xiàn)飛行環(huán)境，需加熱介質(zhì)氣體至高溫，部分加熱器（如電弧加熱器）為防止壁面局部過(guò)熱燒蝕采用旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣方式，在風(fēng)洞穩(wěn)定段前加入反向旋轉(zhuǎn)氣流來(lái)抵消旋轉(zhuǎn)，但產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)將對(duì)飛行器氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，需要對(duì)該影響及解決措施進(jìn)行評(píng)估。在低速流動(dòng)中，李榮先、吳國(guó)江、Rhode、唐明等分別采用一孔探針、五孔探針、七孔探針測(cè)量了氣流旋轉(zhuǎn)［1－4］，Paschereit［5］等采用激光多普勒測(cè)速儀研究了流動(dòng)介質(zhì)為水的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，而高超聲速流場(chǎng)中氣流旋轉(zhuǎn)的直接或間接測(cè)量手段目前尚未見報(bào)道。本文作者采用電弧加熱器和軸對(duì)稱型面噴管在風(fēng)洞中產(chǎn)生高超聲速流場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量流場(chǎng)中帶翼模型滾轉(zhuǎn)力矩的大小，間接反映氣流旋轉(zhuǎn)的整體強(qiáng)度以及對(duì)氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)本研究主要回答3個(gè)問(wèn)題，一是電弧加熱器是否給噴管出口的高超聲速流場(chǎng)帶來(lái)旋轉(zhuǎn)？二是如果存在旋轉(zhuǎn)，采用反向旋轉(zhuǎn)的氣流能否達(dá)到降低或抵消旋轉(zhuǎn)的要求？三是合適的反向氣流流量占多大比例？

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器

1.1風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)在CARDC的Φ0.3m高超聲速低密度風(fēng)洞（代號(hào)FD－17）中進(jìn)行，該風(fēng)洞是一座典型的高壓下吹、真空抽吸的暫沖運(yùn)行風(fēng)洞。風(fēng)洞由氣源系統(tǒng)、加熱器、前室、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓段、冷卻器、真空系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等部分組成。該風(fēng)洞目前配備有型面噴管8套，噴管出口馬赫數(shù)為5、6、7、8、9、10、11、12；錐形噴管3套，噴管出口馬赫數(shù)為12、16和24，所有噴管出口直徑均為Φ300mm。介質(zhì)為氮?dú)饣蚩諝?，?shí)驗(yàn)根據(jù)不同的狀態(tài)可分別選用石墨電阻加熱器或儲(chǔ)熱式加熱器進(jìn)行加熱或不加熱。本次實(shí)驗(yàn)用噴管是出口馬赫數(shù)為6的型面噴管，介質(zhì)為常溫氮?dú)?，采用電弧加熱器和混合室產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，安裝示意如圖1。

圖1 設(shè)備安裝示意圖Fig.1 Schematic of installation of the facilities

為匹配圖1中電弧加熱器和混合室的Q1、Q2、Q3的3路供氣需求，對(duì)現(xiàn)有供氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造。在M5、6主供氣管路上通過(guò)1分3的方式，形成3路同時(shí)供氣并各自單獨(dú)可調(diào)節(jié)流量的氣路，每一供氣支路均有流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量，模擬不同旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的氣流。供氣氣路改造后的照片如圖2。

圖2 3路供氣氣路Fig.2 Photo of three pipes for gas supply device

1.2電弧加熱器和混合室

電弧加熱器工作時(shí)電弧弧根若集中在1個(gè)位置，容易導(dǎo)致電極內(nèi)殼燒損，需要將電弧弧根旋轉(zhuǎn)以降低局部熱流集中，減少燒損，采用旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣就可以方便地實(shí)現(xiàn)。故電弧加熱器采用切向進(jìn)氣環(huán)使氣流旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣，進(jìn)氣環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，環(huán)上的4個(gè)進(jìn)氣口均為Φ2mm，以加熱器從前往后方向?yàn)閰⒖迹瑲饬餍D(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，進(jìn)氣流量標(biāo)識(shí)符號(hào)為Q1。

圖3 進(jìn)氣環(huán)剖面示意圖Fig.3 Section view of gas inlet ring

混合室是配合電弧加熱器研制的，主要作用為混入冷氣，降低電弧加熱器出來(lái)的氣體溫度到實(shí)驗(yàn)所需的總溫，在混合室的前端錐形入口段周向設(shè)計(jì)有2道進(jìn)氣環(huán)（如圖1所示），第1道進(jìn)氣環(huán)進(jìn)氣方向?yàn)轫槙r(shí)針，與電弧加熱器進(jìn)氣方向相反，用以抵消氣流旋轉(zhuǎn)，提高流場(chǎng)品質(zhì)，進(jìn)氣流量標(biāo)識(shí)符號(hào)為Q2；第2道進(jìn)氣環(huán)進(jìn)氣方向?yàn)榇怪庇诨旌鲜逸S線，進(jìn)氣流量標(biāo)識(shí)符號(hào)為Q3。

1.3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為了較為明顯地反映流場(chǎng)中氣流旋轉(zhuǎn)的整體影響，測(cè)力模型采用鈍錐柱帶大展向平板翼的外形，模型全長(zhǎng)為150mm，翼展160mm，柱直徑40mm，鈍錐半錐角為25°，頭部半徑為10mm，模型整體左右對(duì)稱。外形如圖4所示。

圖4 滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量模型外形圖（單位：mm）Fig.4 Model of roll moment measurement

1.4測(cè)試儀器

（1）天平——測(cè)量滾轉(zhuǎn)力矩。

在高超聲速流場(chǎng)中，小不對(duì)稱外形模型的滾轉(zhuǎn)力矩為小量［6－7］，測(cè)試難度大；雖然本研究中流場(chǎng)有旋轉(zhuǎn)，而采用對(duì)稱外形模型，其滾轉(zhuǎn)力矩也是小量。所以本實(shí)驗(yàn)中測(cè)力天平重點(diǎn)提高滾轉(zhuǎn)單元的測(cè)量靈敏度，減小其他測(cè)量單元對(duì)滾轉(zhuǎn)單元的干擾。天平測(cè)量單元采用周向布置的4根矩形梁結(jié)構(gòu)（水平方向和垂直方向各2根梁），梁的厚度為0.8mm，天平結(jié)構(gòu)如圖5所示。測(cè)量單元包括法向力和側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩，其靜校載荷和靜校精度如表1。

表1 天平靜校載荷及精度Table 1 The calibrated load and prcision of the balance

圖5 測(cè)力天平結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of balance

（2）壓力傳感器——用CYG19（0～1MPa）型壓阻傳感器測(cè)量前室總壓。

（3）流量計(jì)——用ZYLG型流量計(jì)測(cè)量3路供氣的流量。

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——用32通道數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、狀態(tài)和數(shù)據(jù)處理方法

2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)研究目的是了解電弧加熱器和M6噴管流場(chǎng)氣流旋轉(zhuǎn)的整體影響程度，了解氣流旋轉(zhuǎn)降低所需的反向氣體流量。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）對(duì)該模型采用風(fēng)洞現(xiàn)有的管路進(jìn)行滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)（即無(wú)電弧加熱器供氣旋轉(zhuǎn)影響的情況下），實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為后續(xù)測(cè)力比較的參考標(biāo)準(zhǔn)；

（2）安裝電弧加熱器和配套管路后，在變化各供氣支路流量的情況下，進(jìn)行模型滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，分析氣流旋轉(zhuǎn)的程度和消旋措施中各氣路的流量比例。

2.2實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

本次實(shí)驗(yàn)狀態(tài)共7個(gè)，如表2所示，其中狀態(tài)1為無(wú)電弧加熱器的條件，前室總壓p0＝0.2MPa，主要是測(cè)量氣流無(wú)旋轉(zhuǎn)情況下，只是由于模型安裝等因素產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩，測(cè)量結(jié)果用于修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。狀態(tài)2～7為通過(guò)電弧加熱器和混合室進(jìn)氣的情況，前室總壓p0和總流量Q基本保持不變，主要變化Q2、Q3。

表2 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果Table 2 Experimental states and measured results

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為了較好地進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，將滾轉(zhuǎn)力矩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，采用如下公式：

其中：Cl為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；Mx為當(dāng)?shù)販y(cè)量的滾轉(zhuǎn)力矩，文中定義從模型頭部往尾部看，逆時(shí)針為正；q為當(dāng)?shù)貏?dòng)壓，其中T0按288K考慮；S為參考面積，選用直徑40mm的底部面積；L為參考長(zhǎng)度，選用模型兩翼尖的距離，即160mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表2也給出了各狀態(tài)下模型0°迎角的滾轉(zhuǎn)力矩和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)修正前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

狀態(tài)1流場(chǎng)中無(wú)氣流旋轉(zhuǎn)，理想情況下模型滾轉(zhuǎn)力矩應(yīng)為0，實(shí)際測(cè)量的模型滾轉(zhuǎn)力矩為－47.68g·mm（即4.67×10－4N·m）、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl＝－7.13× 10－4，測(cè)量值為小量，表明實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差，包括模型加工、安裝誤差以及流場(chǎng)和測(cè)試誤差等。所以狀態(tài)1測(cè)量的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)可作為狀態(tài)2～7滾轉(zhuǎn)力矩?cái)?shù)據(jù)修正的基礎(chǔ)。

狀態(tài)2是電弧加熱器和混合室工作時(shí)的一種進(jìn)氣情況，反向進(jìn)氣流量Q2＝0，模型滾轉(zhuǎn)力矩為53.738g·mm，測(cè)量值也為小量，但與狀態(tài)1的測(cè)量結(jié)果方向相反，修正后滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl＝1.657× 10－3，說(shuō)明流場(chǎng)中存在不大的氣流旋轉(zhuǎn)。原因是Q1進(jìn)氣口強(qiáng)烈的氣流旋轉(zhuǎn)，在往噴管出口流動(dòng)過(guò)程中，由于粘性的耗散作用，旋轉(zhuǎn)逐漸減弱，切向速度逐漸降低，而軸向速度在噴管膨脹作用下加速至高超聲速，切向速度相比于軸向速度為小量，其產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)相比于其余氣動(dòng)力系數(shù)等也是小量，所以流場(chǎng)中有氣流旋轉(zhuǎn)，但為小量。

狀態(tài)3～7與狀態(tài)2的區(qū)別是反向進(jìn)氣流量Q2不為0，進(jìn)氣方向與Q1相反，Q2較小時(shí)部分抵消了Q1產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)；Q2較大時(shí)完全抵消了Q1產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)，還會(huì)附加產(chǎn)生新的反方向氣流旋轉(zhuǎn)。

圖6給出了狀態(tài)2～7的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨反向進(jìn)氣流量Q2的變化曲線?？梢钥闯觯诒３蛛娀〖訜崞髁髁縌1不變的情況下，改變混合室流量Q2和Q3，隨著Q2的增加，滾轉(zhuǎn)力矩由正變負(fù)，說(shuō)明存在可以使?jié)L轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0的狀態(tài)；其中當(dāng)Q2＝8.6g／s（約為總流量的2%）時(shí)，滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl＝－1.8× 10－5，低于Q2＝0時(shí)的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl＝1.657×10－3達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)降低情況較好。這一方面說(shuō)明電弧加熱器旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)致流場(chǎng)的氣流旋轉(zhuǎn)是存在的，另一方面說(shuō)明通過(guò)混合室采用反向旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣可以降低氣流旋轉(zhuǎn)的影響。在氣流旋轉(zhuǎn)，但為小量。

圖6 模型滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨反向進(jìn)氣流量Q2的變化Fig.6 Roll moment coeffecient variation under different reverse flow－flux Q2

（2）混合室加反向旋轉(zhuǎn)氣流可降低或消除加熱器氣流導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)影響，提高風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)，采用約2%總流量的反向旋轉(zhuǎn)氣流可達(dá)到滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)的效果。

（3）本次設(shè)計(jì)的測(cè)力天平滾轉(zhuǎn)單元的測(cè)量靈敏度高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地反映了滾轉(zhuǎn)力矩隨不同反旋氣流流量的變化趨勢(shì)。

［1］李榮先，李勇，張會(huì)強(qiáng)，等.旋風(fēng)筒內(nèi)強(qiáng)旋湍流流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，1996，2（2）：135－138.Li R X，Li Y，Zhang H Q，et al.Experimental study of strongly swirling flows in a cyclone section［J］.Journal of Combustion Science and Technology，1996，2（2）：135－138.

［2］吳國(guó)江，王峻曄，鄭文德，等.旋風(fēng)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的測(cè)量及分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32（7）：66－69.Wu G J，Wang J Y，Zheng W D，et al.Measurement and analysis of swirling flow in a cyclone cylinder［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，1998，32（7）：66－69.

［3］Rhode D L，Lilley D G，Mclaughlin D K.Mean flowfields in axisymmetric combustor geometries with swirl［J］.AIAA Journal，1983，（4）：593－600.

［4］唐明，朱惠齡，嚴(yán)傳俊，等.模型燃燒室中三元旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究［C］／／高等學(xué)校工程熱物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1986.

［5］Paschereitc O，Gutmark E，Weisenstein W.Coherent structures in swirling flows and their role in acoustic combustion control［J］.Physics of Fluids，1999，11：2667－2678.

［6］蔣忠東，趙忠良，王樹民，等.高超聲速風(fēng)洞小滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量技術(shù)研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2001，22（6）：488－490.Jiang Z D，Zhao Z L，Wang S M，et al.Research on the measurement techniques for micro－rolling－moment in a hypersonic wind tunnel［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2001，22（6）：488－490.

［7］白葵，馮明溪，付光明.小不對(duì)稱再入體滾轉(zhuǎn)氣動(dòng)力測(cè)量技術(shù)［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，2002，9：16（3）：64－67.Bai K，F(xiàn)eng M X，F(xiàn)u G M.Experimental technique for rolling aerodynamic of slight asymmetric re－entry body［J］.Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，2002，16（3）：64－67.

4 結(jié) 論

（1）加熱器旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)致的高超聲速流場(chǎng)中存

Investigation on the flow rotation effect and elimination in hypersonic wind tunnel

Chen Aiguo＊，Li Xuguo，Mao Chunman，Sun Liangbao，Long Yongsheng，Yang Yanguang
（Hypersonic Aerodynamics Research Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Wind tunnel experiments require high quality flow field，but in some hypersonic wind tunnel，the inlet flow may be rotated for preventing the local overheating of the heater.In order to eliminate the rotation，a reverse rotating flow is added into the main stream before the stability section of the wind tunnel.A wing model and a high precision roll balance were designed to study the total effect of the flow rotation in the hypersonic wind tunnel.The rolling moment measurements are carried out in theΦ0.3mhypersonic low density wind tunnel of CARDC under the test conditions of Mach 6，stagnation pressure of about 2×105Pa and room temperature nitrogen.The results show the rotation exits and the maximum rolling moment coefficient is 1.657× 10－3；Reverse flow of about 2%total flow flux can reduce the rolling moment coefficient by 2orders of magnitude.It is proved to be an effective solution for improving the quality of the wind tunnel flow field.

hypersonic wind tunnel；flow rotation；rotation moment

V211.72

：A

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）04－0093－04

10.11729／syltlx20150146

2015－12－01；

2016－03－02

國(guó)家自然科學(xué)基金（11325212）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2014CB744100）

＊通信作者E－mail：chenaiguo＠cardc.cn

Chen A G，Li X G，Mao C M，et al.Investigation on the flow rotation effect and elimination in hypersonic wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：93－96.陳愛國(guó)，李緒國(guó)，毛春滿，等.高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)中的氣流旋轉(zhuǎn)影響及消除.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（4）：93－96.

陳愛國(guó)（1973－），男，湖北仙桃人，研究員。研究方向；高超聲速低密度風(fēng)洞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究。通信地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所506室（621000）。E－mail：chenaiguo＠cardc.cn