開孔壁蜂窩器整流特性實驗研究

符澄，彭強，李毅，廖達雄，呂金磊，，朱博

(1．中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學(xué)國家重點實驗室，四川綿陽621000;2．中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川綿陽621000)

開孔壁蜂窩器整流特性實驗研究

符澄1，2，*，彭強2，李毅2，廖達雄1，呂金磊1，2，朱博2

(1．中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學(xué)國家重點實驗室，四川綿陽621000;2．中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川綿陽621000)

蜂窩器是安裝在風(fēng)洞穩(wěn)定段中用來提高風(fēng)洞試驗段氣流均勻性、降低氣流偏角及湍流度的重要整流裝置。普通的實壁蜂窩器需要通過提高蜂窩器單元的長徑比來達到提升整流特性的目的，但同時帶來了損失系數(shù)增加等問題。設(shè)計了一種在蜂窩單元壁面開孔的蜂窩器，通過蜂窩器壁面上的開孔，實現(xiàn)了蜂窩器單元之間的旋渦和壓力的傳遞，可以有效地提高蜂窩器的整流效果。在0．55m×0．4m低噪聲航空聲學(xué)風(fēng)洞閉口試驗段中，在不同來流速度條件下，使用熱線風(fēng)速儀對普通蜂窩器和開孔壁蜂窩器下游的速度及湍流度分布特性進行了試驗研究。實驗結(jié)果表明，與普通的實壁蜂窩器相比，開孔率為50%的開孔壁蜂窩器下游的湍流度可降低13．8%，蜂窩器下游的速度分布得到了改善，局部氣流偏角也明顯減小。在風(fēng)洞設(shè)計中，使用優(yōu)化后的開孔壁蜂窩器可以減少阻尼網(wǎng)的層數(shù)或收縮段的收縮比，從而降低風(fēng)洞的運行能耗，并減少風(fēng)洞的建設(shè)費用。

風(fēng)洞;蜂窩器;流場品質(zhì);湍流度;氣流偏角;熱線風(fēng)速儀

Keywords：wind tunnel；honeycomb；flow quality；turbulence intensity；flow angularity；hot wire

0 引 言

在風(fēng)洞中，為在試驗段獲得湍流度較低的、近似各向同性的湍流流動，往往在上游面積較大的穩(wěn)定段內(nèi)布置一系列的整流裝置，以促使風(fēng)洞上游產(chǎn)生的大尺度的、非各向同性的旋渦在慣性力的作用下向小尺度旋渦轉(zhuǎn)化，小尺度渦又在粘性耗散的作用下形成充分發(fā)展的湍流［1］。

蜂窩器是一種能將大尺度旋渦分割成小尺度渦的整流裝置。在過去的風(fēng)洞設(shè)計中，往往通過增加蜂窩器單元的長徑比L／D，通過增加慣性力和粘性耗散作用來降低旋渦的尺度和能量，來提高蜂窩器的整流效果，也取得了一定的進步，但與此同時也帶來了總壓損失增加等負面影響［2－4］。由于蜂窩器單元之間往往是互不相通的固壁邊界，難以進行壓力交換和壓力平衡，因此上游大尺度渦造成的壓力不均勻現(xiàn)象難以在蜂窩器內(nèi)得到改善，同時，又因無法進行壓力交換，蜂窩器出口下游的小尺度旋渦的能量分布也得不到改善，從而限制了蜂窩器的整流效果。

Ahmad D．Vakili［5］的研究成果表明，一種新型的開孔壁蜂窩器能有效地改善其下游的湍流度、渦量分布狀況，并降低湍流度的絕對值，從而為獲得試驗段低湍流度的各向同性湍流流動創(chuàng)造了良好的初始條件。其研究結(jié)果顯示，開孔率為20%～40%是較為合適的開孔壁蜂窩器設(shè)計參數(shù)，但其對開孔壁蜂窩器的研究僅局限于開孔率對整流特性的影響上，對其它因素如開孔數(shù)量、開孔位置、間距等未做進一步的研究。

開孔壁蜂窩器就是通過在蜂窩器單元壁面上打出一組具有一定開孔率的小孔單元，如圖1所示，從而可以造成蜂窩器內(nèi)部的壓力交換，便于各單元內(nèi)渦能量的傳遞，使得蜂窩器下游壓力、湍流度分布更均勻，從而增強蜂窩器的整流效果，降低阻尼網(wǎng)入口的湍流度。這對風(fēng)洞的設(shè)計，特別是以風(fēng)扇、壓縮機驅(qū)動的風(fēng)洞設(shè)計尤為重要。阻尼網(wǎng)整流裝置入口處湍流度更低，意味著在相同的試驗段湍流度指標的前提下，可以減少阻尼網(wǎng)的數(shù)量，從而降低風(fēng)洞回路的總壓損失，進而降低風(fēng)扇或壓縮機的運行功率。同時，更低的阻尼網(wǎng)入口湍流度，意味著可以不必通過增加收縮比（增加穩(wěn)定段尺寸）的方式來降低試驗段的湍流度。這樣，既可以有效地降低風(fēng)洞的整體尺寸，減小建設(shè)規(guī)模，又可以在穩(wěn)定段內(nèi)安裝網(wǎng)絲直徑更細、整體面積更小的阻尼網(wǎng)，從而可以有效地降低阻尼網(wǎng)自身產(chǎn)生的湍流及因阻尼網(wǎng)受力變形造成的氣流偏角，提高阻尼網(wǎng)的整流效果。這對未來設(shè)計湍流度低至0．05%、局部氣流偏角小于±0．1°的高流場品質(zhì)的低速及跨聲速風(fēng)洞都顯得尤為重要［6－9］。

圖1 開孔壁蜂窩器外形Fig．1 Airline of porosity honeycomb

1 實驗裝置及測試方法

1．1 蜂窩器設(shè)計參數(shù)

對于實壁蜂窩器來說，決定蜂窩器整流性能的主要參數(shù)為蜂窩器的長徑比L／D和蜂窩器單元的壁厚。對于開孔壁蜂窩器來說，影響其性能的主要參數(shù)包括長徑比L／D、開孔率、開孔數(shù)量、開孔間距及開孔在流向上的位置等。其中，開孔壁蜂窩器開孔率的定義為每個單元四壁或六壁開孔面積的總和與單元入口截面積之比。

本實驗研究中，在相同開孔率的條件下，重點對開孔數(shù)量、開孔間距及開孔位置對整流特性的影響進行了研究。

為適應(yīng)0．55m×0．40m低噪聲航空聲學(xué)風(fēng)洞閉口試驗段的尺寸，同時為了減少所加工的蜂窩器的單元格數(shù)量并降低制造難度，試驗中所用的蜂窩器單元格截面形狀為正方形，單元格對邊距為15mm，長徑比為10，壁厚均為0．5mm，蜂窩器在垂直和水平方向分別有20個單元格，試驗件總單元格數(shù)為400，外廓尺寸為300mm（高）×300mm（寬）×150mm（長），開孔壁蜂窩器單元格壁面上的開孔為單排開孔，如圖2所示，開孔率為50%，其它設(shè)計參數(shù)如表1所示。

為防止蜂窩器壁面上的開孔產(chǎn)生橫向流動影響蜂窩器的整流特性，在蜂窩器開孔段的后部留出一定距離的靜流段，以消除開孔對下游流動造成的擾動影響。

圖2 蜂窩器試驗件及設(shè)計參數(shù)Fig．2 Test article and design parameter

表1 蜂窩器試驗件設(shè)計參數(shù)Table 1 Honeycomb design parameter

1．2 測試設(shè)備及方法

蜂窩器試驗件安裝在0．55m×0．40m低噪聲航空聲學(xué)風(fēng)洞的閉口試驗段內(nèi)。0．55m×0．4m低噪聲航空聲學(xué)風(fēng)洞是5．5m×4m聲學(xué)風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞（縮比為1∶10）。該風(fēng)洞是一座低湍流度回流式風(fēng)洞，配置有開口、閉口2個試驗段，該風(fēng)洞的氣動輪廓如圖3所示。

圖3 風(fēng)洞氣動輪廓Fig．3 Airline of wind tunnel

該風(fēng)洞閉口試驗段最高風(fēng)速130m／s，開口試驗段最高風(fēng)速100m／s，試驗段模型區(qū)中心湍流度小于0．05%，模型區(qū)動壓場系數(shù)為0．2%～0．3%［10］。

為了在蜂窩器入口上游生成較強的湍流流動，在蜂窩器上游設(shè)置一個直徑為35mm的圓柱形擾流體，蜂窩器入口距離擾流體350mm，移測架安裝在擴散段壁面上，單點熱線探頭安裝在移測架支桿頭部，熱線探頭距離蜂窩器出口700mm，熱線探頭可以在垂直于試驗段軸線的豎直方向運動。各試驗件及測試裝置在試驗段內(nèi)的安裝及相對位置如圖4所示。

使用Dantec公司的熱線風(fēng)速儀對蜂窩器下游湍流度和速度進行測量，所使用的熱線探頭為二維探頭，可分別對氣流的橫向及流向速度及速度脈動進行測量［11－12］。熱線探頭及其在風(fēng)洞試驗段中的安裝如圖5所示。

圖4 試驗件在試驗段內(nèi)的安裝Fig．4 Test article in test section

圖5 二維熱線探頭Fig．5 2D hot wire probe

在蜂窩器出口下游700mm的截面上，測量沿垂直方向一條直線上的湍流度（流向和橫向）及速度（流向和橫向）。測點等間距分布，間距為10mm，從上至下一共測量13個點，測量區(qū)域總高度120mm，測量區(qū)域沿風(fēng)洞軸線對稱分布。

在測試過程中，熱線風(fēng)速儀的采樣頻率為20k Hz；試驗段入口風(fēng)速分別為8、13和18m／s。

通過不同風(fēng)速條件下實壁蜂窩器、開孔壁蜂窩器及無蜂窩器3種不同狀態(tài)下的實驗研究，對比測量截面上的湍流度、速度及氣流偏角，以此來判斷蜂窩器的整流效果。

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 速度分布測試結(jié)果

圖6給出了在風(fēng)速為13m／s條件下，各個蜂窩器試驗件下游截面上的流向速度Vx的分布曲線與無蜂窩器狀態(tài)的比較。從圖中可以看出，由于擾流體尾流的影響，y向截面速度分布呈現(xiàn)中間低、兩邊高的現(xiàn)象；在實壁蜂窩器（mod1）狀態(tài)下，蜂窩器下游的流向速度分布為不對稱分布狀態(tài)，流向速度的最低點為中心線向下偏移20mm，這是由于圓柱繞流下游不對稱的卡門渦街在運動至蜂窩器入口處時，旋渦中心恰好位于蜂窩器軸線下方所致。在采用開孔壁蜂窩器后，流向速度分布的不對稱分布現(xiàn)象得到了明顯改善。其中，mod3對流向速度分布的改善效果最好。來流風(fēng)速對流向速度分布沒有影響。

圖6 蜂窩器后流向速度分布Fig．6 Axis velocity distribution downstream honeycomb

圖7 給出了在風(fēng)速為13m／s條件下，無蜂窩器及使用蜂窩器時下游截面上的橫向速度Vy的分布曲線。從圖中可以看出，采用了開孔壁蜂窩器后，橫向速度分量得到了明顯降低。不同開孔參數(shù)的開孔壁蜂窩器對橫向速度的整流效果也不相同。由于氣流的橫向速度決定了氣流偏角，可以計算出，蜂窩器下游氣流平均氣流偏角的絕對值的平均值分別為：mod1：1．32°，mod2：0．612°，mod3：0．516°，mod4：0．662°，mod5：0．338°。此可以判斷，采用開孔壁蜂窩器后，氣流偏角得到了明顯改善。

圖7 蜂窩器后橫向速度分布Fig．7 Transverse velocity distribution downstream honeycomb

2．2 湍流度分布測試結(jié)果

圖8分別給出了使用二維熱線風(fēng)速儀測量得到的mod3型開孔壁蜂窩器下游截面上的流向及橫向速度脈動的頻譜特性。從圖中可以看出，測量結(jié)果中沒有出現(xiàn)明顯的干擾，可以認為測量方法和測試結(jié)果是準確可靠的。流向速度的脈動量要明顯高于橫向速度的脈動量，但橫向速度脈動的頻率范圍更寬，高頻部分的速度脈動量更大。

圖9和10分別給出了流向速度為13m／s，不同蜂窩器試驗件下游截面上的流向及橫向湍流度分布曲線，圖中還同時給出了無蜂窩器狀態(tài)下擾流體下游的湍流度分布。從圖中可以看出，蜂窩器對于降低流向和橫向湍流度的能力是不同的。對于流向湍流度來說，蜂窩器可使其降至原有水平的80%左右，而對于橫向湍流度來說蜂窩器可使其降至原有水平的30%左右，這與文獻［2－3］中所給出的結(jié)論是一致的，即蜂窩器對于降低氣流的橫向湍流度具有較好的效果。

圖8 速度脈動頻譜Fig．8 Spectra of velocity fluctuation

圖9 流向湍流度分布Fig．9 Axis turbulence intensity distribution

圖10 橫向湍流度分布Fig．10 Transverse turbulence intensity distribution

從圖中可以看出，無論是對于軸向湍流度還是對于橫向湍流度來說，各種不同蜂窩器的整流效果基本是一致的。在使用了開孔壁蜂窩器后，下游截面上湍流度的對稱性得到了明顯改善。

對測試區(qū)域中心位置±20mm范圍內(nèi)的湍流度測量值進行平均，得到的結(jié)果如表2所示，圖11給出了不同蜂窩器下游流向及橫向湍流度平均值隨來流速度變化的趨勢。可以看出，隨著來流速度的增加，所得到的蜂窩器下游的橫向及流向湍流度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這是因為隨著來流速度的提高，風(fēng)洞試驗段的流場品質(zhì)得到改善、來流湍流度降低。

表2 湍流度測試結(jié)果Table 2 Turbulence intensity measurement results

圖11 湍流度隨速度變化趨勢Fig．11 Turbulence intensity and velocity profile

從表2及圖11可以看出，采用開孔壁蜂窩器后，下游的湍流強度明顯降低，mod3降低幅度最大，其整流效果最佳。與實壁蜂窩器相比，在風(fēng)速為13m／s時，mod3試驗件后的流向湍流度降低了約14．9%，橫向湍流度降低了約12．6%，綜合降低了約13．8%，且氣流速度越低，改善的幅度越大。在風(fēng)洞整流裝置設(shè)計中，阻尼網(wǎng)前來流湍流度降低10%，意味著在相同的試驗段湍流度條件下，阻尼網(wǎng)的層數(shù)至少可以減少1層。

開孔的設(shè)計參數(shù)對蜂窩器的整流效果產(chǎn)生了明顯的影響，在4個開孔壁試驗件中，以mod3的整流效果最好，mod4、mod5次之，mod2效果最差。

3 結(jié) 論

設(shè)計加工了多套不同參數(shù)的開孔壁蜂窩器，在0．55m×0．40m低噪聲航空聲學(xué)風(fēng)洞中對其整流性能進行了實驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）與普通的實壁蜂窩器相比，開孔壁蜂窩器能更好地改善下游的流動均勻性，同時還可以減小局部氣流偏角；

（2）在不同風(fēng)速條件下，與普通的實壁蜂窩器相比，開孔壁蜂窩器的整流效果更佳，其下游湍流度可比實壁蜂窩器低10%以上；

（3）開孔壁蜂窩器技術(shù)可以應(yīng)用于對流場品質(zhì)有較高要求的低速及跨超聲速風(fēng)洞整流裝置的設(shè)計中，但由于影響開孔壁蜂窩器性能的參數(shù)較多，因此，其性能優(yōu)化及設(shè)計具有較高的難度。

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Experimental study of flow straightening and turbulence reduction characteristics for porosity honeycomb

Fu Cheng1，2，*，Peng Qiang2，Li Yi2，Liao Daxiong1，Lyu Jinlei1，2，Zhu Bo2
(1．State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China;2．Facility Design and Instrumentation Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China)

The honeycomb is an important device which is installed in wind tunnel settling chamber to improve the flow uniformity and decrease the flow angle aswell as the turbulence intensity in the wind tunnel test section．For a regular honeycomb，in order to improve the flow straightening and turbulence reduction characteristics，a large length－diameter ratiomust be used in the design of the honeycomb which results in the increase of total pressure loss of the honeycomb．A new type of honeycomb with a group of small holes on the wall of honeycomb cells is designed．This type of porosity honeycomb can achieve the exchange of the vortices and pressure between different cells to significantly improve the flow quality downstream the honeycomb．In the solid wall test section of the 0．55m×0．40m low noise aeronautic acoustic wind tunnel，the 2D hot wire is used to measure the turbulence intensity and velocity distribution downstream the porosity honeycomb and the regular one respectively with different flow velocities．The experimental results indicate that the honeycomb with 50%transverse porosity can reduce the turbulence intensity by 13．8%compared against the regular one．The velocity distribution downstream the honeycomb becomes smoother and the flow angle is also reduced．The design of the flow straightening and turbulence reduction system for the wind tunnel with the optimized porosity honeycomb can reduce the number of screens or the constriction ratio of thewind tunnel，and therefore，reduce the power consumption and the construction budget of wind tunnels．

V211．754

A

（編輯：李金勇）

1672-9897(2016)05-0017-06

10．11729/syltlx20150111

2015-09-01;

2015-11-11

空氣動力學(xué)國家重點實驗室基金資助(SKLA-2012-04-03)

*通信作者E-mail:fucheng111@sina．com

Fu C，Peng Q，Li Y，et al．Experimental study of flow straightening and turbulence reduction charac teristics for porosity honeycomb．Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):17-22．符澄，彭強，李毅，等．開孔壁蜂窩器整流特性實驗研究．實驗流體力學(xué)，2016，30(5):17-22．

符 澄（1982－），男，江蘇如東人，工程師。研究方向：風(fēng)洞氣動設(shè)計。通信地址：四川綿陽二環(huán)路南段6號14信箱401分箱（621000）。E－mail：fucheng111＠sina．com