低速風(fēng)洞固定地板附面層控制實(shí)驗(yàn)研究

湯 偉, 陳 立, 王 輝, 張平濤(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 71007; . 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 低速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 61000)

低速風(fēng)洞固定地板附面層控制實(shí)驗(yàn)研究

湯 偉1,*, 陳 立2, 王 輝2, 張平濤2
(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 低速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

在飛機(jī)起降和車(chē)輛的風(fēng)洞試驗(yàn)中，通常采用固定地板來(lái)模擬地面，但固定地板附面層的存在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了不可忽略的影響。因此，需要采取一定措施控制地板表面上的附面層影響。采用附面層吸除方法對(duì)于中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8m×6m低速風(fēng)洞的大面積地板來(lái)說(shuō)效果較好、可行性高。研制了含有可單獨(dú)控制的48個(gè)吸氣單元共192個(gè)吸氣孔的地板，集成了以水環(huán)真空泵組為基礎(chǔ)的真空吸氣和控制系統(tǒng)。在70m/s的風(fēng)速下，通過(guò)試驗(yàn)獲得了10種地板分布式吸氣控制方案對(duì)地板附面層厚度的影響規(guī)律，得到了將附面層厚度控制在30mm的最佳吸氣控制方案。在最佳控制方案下，測(cè)量得到風(fēng)洞流場(chǎng)氣流偏角為-0.14°，驗(yàn)證了附面層厚度不受地板在風(fēng)洞中安裝高度的影響。最后，采用C919飛機(jī)模型完成了吸氣地板和不吸氣地板的對(duì)比試驗(yàn)，得出在迎角8°以上，吸氣地板使C919飛機(jī)試驗(yàn)獲得的升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加，俯仰力矩增加。

固定地板；吸氣地坂；附面層；8m×6m風(fēng)洞；試驗(yàn)技術(shù)

0 引 言

飛機(jī)起降過(guò)程和車(chē)輛行駛中，空氣繞流因?yàn)槭艿降孛娴挠绊懚c在自由大氣中的流動(dòng)有所不同，從而產(chǎn)生附加的下壓力或者升力，影響飛機(jī)和車(chē)輛的操縱性和穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象就是地面效應(yīng)[1]。

目前，風(fēng)洞試驗(yàn)地板是研究地面效應(yīng)的主要裝置，其中固定地板運(yùn)用比較廣泛。但固定地板在模擬地面效應(yīng)時(shí)，由于地板表面存在附面層，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c地板之間的流場(chǎng)特征與真實(shí)情況存在較大差異，影響到最終試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于車(chē)輛而言，如果地面附面層厚度大于被測(cè)車(chē)輛離地間隙的 10%時(shí)，所測(cè)阻力減小，升力增大[2]。對(duì)于飛機(jī)而言，地面效應(yīng)使飛機(jī)的升力線斜率增加、誘導(dǎo)阻力減小、縱向安定度增加[3-4]。因此需要在試驗(yàn)中采取措施控制地板的附面層，文獻(xiàn)[5]中總結(jié)了層流附面層的控制方法：移動(dòng)固壁、附面層加速(吹除)、抽吸、外部介質(zhì)射流、外形優(yōu)化和壁面冷卻。目前對(duì)固定地板的改進(jìn)設(shè)計(jì)主要在前3個(gè)方面展開(kāi)，分別有活動(dòng)地板、吸氣地板和吹氣地板。

吸氣地板是將地板附面層內(nèi)的低能量氣體吸除，從而避免附面層的增厚與分離。此時(shí)必須進(jìn)行吸氣所引起的氣流方向偏斜修正，且吸氣量足夠吸除附面層即可，不能太大，否則會(huì)使流動(dòng)條件受到破壞[6]。 R．Wulf[7]于 1975 年為哥廷根空氣動(dòng)力研究所的 3m×3m開(kāi)口低速風(fēng)洞研制了帶附面層均勻抽吸裝置的地板。同濟(jì)大學(xué) TJ-2 號(hào)風(fēng)洞采用上游基礎(chǔ)均勻抽吸法，抽吸后試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓案矫鎸游灰坪穸扔刹怀槲?12mm 下降到 5mm，降幅達(dá) 50%[8]。北京空氣動(dòng)力研究所在 FD-09航空風(fēng)洞改建為汽車(chē)模型風(fēng)洞中采用開(kāi)槽內(nèi)部吸氣法進(jìn)行附面層控制，抽吸之后地板中間位置附面層厚底下降 28.6%，且橫向分布均勻[9]。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KD-03風(fēng)洞采用了交錯(cuò)布置的多孔變流量附面層均勻抽吸地板，并應(yīng)用于高速列車(chē)的模型試驗(yàn)[10]。

雖然從20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外就對(duì)吸氣地板進(jìn)行了研究和應(yīng)用[6-14]，但主要還是集中在汽車(chē)風(fēng)洞和3m以下尺寸的航空風(fēng)洞，試驗(yàn)風(fēng)速較低，抽吸流量較小。國(guó)內(nèi)在吸氣地板應(yīng)用方面的相關(guān)工作較少，且從未在大型生產(chǎn)型航空風(fēng)洞中做過(guò)應(yīng)用研究。僅在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的Φ3.2m低速風(fēng)洞建立過(guò)活動(dòng)帶地板系統(tǒng)用來(lái)控制附面層[3]。與活動(dòng)帶地板相比，吸氣地板的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)制造難度較低，易于實(shí)施，成本較低，且效果類(lèi)似[15]。為了提高大型低速風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰?，更好地為新型飛機(jī)研制服務(wù)，結(jié)合中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8m×6m風(fēng)洞的具體條件，研制了基于區(qū)域的分布式吸氣地板附面層控制試驗(yàn)裝置。針對(duì)常規(guī)飛機(jī)模型測(cè)力試驗(yàn)，開(kāi)展了不同風(fēng)速下吸氣流量對(duì)附面層厚度的影響研究，測(cè)量了風(fēng)洞氣流偏角受吸氣影響的變化量，同時(shí)研究了地板安裝高度對(duì)吸氣和附面層厚度的影響，并完成了一期全機(jī)模型吸氣和不吸氣地板的對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

對(duì)固定地板的附面層控制研究，就是要采用合適的吸氣結(jié)構(gòu)方式，應(yīng)對(duì)一定的來(lái)流速度，找到合適的吸氣流量，使地板附面層盡可能地減薄，對(duì)外流的影響盡可能地減小。影響固定地板附面層控制效果的主要因素有吸氣流量、來(lái)流速度、吸氣方式等。本文在確定分布式吸氣方式的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同風(fēng)速、不同吸氣流量情況下的固定地板附面層控制研究。

1.1 吸氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)備主要包括開(kāi)孔吸氣地板、大流量抽吸設(shè)備和吸氣控制裝置3大部分。為了滿(mǎn)足大吸氣流量的需求，吸氣裝置選用了大型水環(huán)真空泵組，通過(guò)管道連接到開(kāi)孔地板的下方吸氣，具備多路吸氣且各路流量分別可控的功能，方便對(duì)吸氣流量和控制方案進(jìn)行研究。控制裝置基于ProfiBus_DP現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建，完成對(duì)吸氣管路流量、壓力的控制運(yùn)算。吸氣系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示，系統(tǒng)主要設(shè)備包括：2BEC72A水環(huán)真空泵組、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、主管路調(diào)節(jié)蝶閥、補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥、槽道流量計(jì)、壓力傳感器、工控主機(jī)及PLC主從站、吸氣主管路及各支路等設(shè)備。

1.2 分布式吸氣地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地板吸氣方式一般有開(kāi)槽和開(kāi)孔2種方式，隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，在地板上加工出大量的吸氣孔已不是難題，且開(kāi)孔方式有利于吸氣的均勻性和流量的控制。因此，本項(xiàng)工作采用開(kāi)孔方式的地板結(jié)構(gòu)。

8m×6m低速風(fēng)洞固定地板長(zhǎng)12m，寬5m，總面積60m2。由于地板面積較大，為了便于控制附面層分布，保證附面層吸除的均勻性，需采用分布式吸氣方案。地板吸氣區(qū)域?yàn)?2m×5m，整塊地板均勻分布了192個(gè)吸氣開(kāi)口。為了方便進(jìn)行流量控制，將其吸氣開(kāi)口分割為48個(gè)密閉的吸氣單元。為了保證每個(gè)單元內(nèi)吸氣的均勻性，在表面開(kāi)孔板和吸氣管道之間架設(shè)了用于整流的阻尼網(wǎng)和鋁蜂窩板。如圖2所示。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)附面層厚度及分布的調(diào)節(jié)，48個(gè)吸氣單元可通過(guò)管道結(jié)構(gòu)自由組合成16個(gè)吸氣區(qū)域，連接到16個(gè)可獨(dú)立控制流量的管道和閥門(mén)。目的是為了不同的試驗(yàn)需求，自由設(shè)定地板各區(qū)域的流量要求，如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

在空風(fēng)洞的情況下，調(diào)節(jié)16個(gè)吸氣區(qū)域的吸氣流量并測(cè)量地板附面層厚度，最終獲取使附面層厚度最小的最佳流量控制方案。

2.1 附面層厚度測(cè)量方法

由于風(fēng)洞地板的總面積達(dá)到60m2，只有通過(guò)交錯(cuò)分布的多個(gè)總壓耙測(cè)量才能較為準(zhǔn)確地獲得整個(gè)地板的附面層厚度分布情況。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)同時(shí)使用5個(gè)總壓耙，高度分別為150、150、300、300和450mm。試驗(yàn)時(shí)同時(shí)以距離地板上表面高度1.5m處的風(fēng)速管數(shù)據(jù)作為靜壓參考。

測(cè)量橫向附面層分布時(shí)，總壓耙平行布置。測(cè)量縱向(順流向)附面層分布時(shí)，可將順流向不同位置處的總壓耙在橫向均勻錯(cuò)開(kāi)布置，減小每個(gè)耙所受上游總壓耙的影響，如圖4所示。如此可以在調(diào)節(jié)吸氣流量分布時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地板附面層厚度順風(fēng)向分布的變化。

2.2 附面層厚度測(cè)量?jī)?nèi)容

針對(duì)常規(guī)的飛機(jī)模型測(cè)力試驗(yàn)，表1中給出了10種主要的區(qū)域吸氣流量配置研究方案。為了保證橫向附面層厚度的一致性，地板左右吸氣單元的流量保持相同。在表1的流量配置方案下，分別測(cè)量風(fēng)速50和70m/s時(shí)的地板橫向和縱向的附面層厚度。

表1 吸氣流量配置方案表Table 1 Different suction flow configurations

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)首先測(cè)量了流量系數(shù)分別為0(不吸氣)和不為0的工況下，地板橫向的附面層厚度δ分布。測(cè)試結(jié)果表明，不吸氣時(shí)，地板橫向的附面層厚度是一致的；吸氣工況下，只要地板兩側(cè)的管路流量保持對(duì)稱(chēng)，就能夠確保附面層橫向分布均勻。

在確保附面層橫向分布一致的情況下，測(cè)量了不同吸氣流量系數(shù)Cq(系統(tǒng)實(shí)際吸氣流量與風(fēng)洞內(nèi)的總流量之比)和不同風(fēng)速下的縱向附面層厚度分布。圖5中曲線表明，在流量系數(shù)不變(總流量不變)的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)流量分布，可以對(duì)附面層分布產(chǎn)生明顯的影響。流量集中在前半?yún)^(qū)域的配置方案2使附面層厚度整體明顯下降，中心附面層厚度最低，但后半部分附面層很快增厚，使整體附面層分布極不均勻；采用流量集中在后半?yún)^(qū)域的配置方案3時(shí)，地板前半部附面層自由發(fā)展，后半部均勻吸氣容易使整體附面層分布均勻，但附面層厚度下降最少；采用前半部流量占優(yōu)、總體流量分布相對(duì)均勻的配置方案1時(shí)，附面層控制效果最好。這一結(jié)果表明，應(yīng)當(dāng)將附面層開(kāi)始增厚的前部區(qū)域作為厚度控制的重點(diǎn)。

與圖5的曲線相比，圖6的曲線表明吸氣流量越大，附面層吸除的整體效果越明顯。圖6中流量配置方案5顯示出最優(yōu)的附面層控制效果。

根據(jù)配置方案5的流量分布方式，適當(dāng)增大總體流量，得到了70m/s風(fēng)速下最佳的流量配置方案8。此時(shí)，流量控制系數(shù)為0.0031，地板中部區(qū)域附面層厚度為30mm，最靠近地板后緣的測(cè)點(diǎn)測(cè)得附面層厚度不超過(guò)50mm，如圖7所示。

吸除附面層必然會(huì)影響風(fēng)洞氣流的流動(dòng)，導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生變化。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的測(cè)量結(jié)果，采用吸氣地板和普通地板，其風(fēng)洞的動(dòng)壓分布均勻性和湍流強(qiáng)度基本相同，因此對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)影響不大。吸氣地板最主要的影響在于會(huì)引入方向向下的速度，導(dǎo)致氣流向下偏轉(zhuǎn)，因此必須測(cè)量出氣流偏角用于后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正。在最佳流量配置方案8下，使用6根七孔探針測(cè)量氣流偏角，考察吸氣對(duì)于氣流偏角的影響。探針距離地板上表面的高度分別為30、80、130、230、330和430mm。根據(jù)平均測(cè)量值和帶模型試驗(yàn)換算的結(jié)果，實(shí)際氣流偏角約-0.14°，略低于理論計(jì)算得到的值-0.17°。這應(yīng)是因?yàn)槟Ｐ蛥^(qū)附近的地板兩側(cè)邊緣存在局部不吸氣的區(qū)域，從而減弱了吸氣下洗的效果。該測(cè)試結(jié)果可作為后續(xù)帶模型試驗(yàn)的迎角修正依據(jù)。

此外，還進(jìn)一步抬高地板在風(fēng)洞中的安裝高度，以研究附面層厚度受到的影響。在最佳流量配置方案8下，將地板升高0.5m，使其上表面距離風(fēng)洞底壁約1.5m，而后重新測(cè)量速壓控制系數(shù)和附面層厚度。結(jié)果表明地板升高后速壓控制系數(shù)增大了0.002，但對(duì)附面層厚度及分布的影響可忽略。這說(shuō)明地板高度變化不大的情況下，無(wú)需重新標(biāo)定附面層的參數(shù)，也無(wú)需調(diào)整吸氣系統(tǒng)的流量配置方案。

總的來(lái)說(shuō)，分布式吸氣對(duì)于固定地板的附面層控制的效果很明顯。通過(guò)區(qū)域流量控制，可以將整個(gè)12m長(zhǎng)的地板附面層降低一倍以上，且前后附面層厚度差距不大。對(duì)稱(chēng)情況下的吸氣對(duì)整個(gè)風(fēng)洞流場(chǎng)的氣流偏角影響也較小。

4 客機(jī)模型的地效對(duì)比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究附面層控制效果對(duì)實(shí)際風(fēng)洞模型試驗(yàn)的影響情況，采用了C919的1∶7.636全機(jī)模型，針對(duì)風(fēng)速70m/s進(jìn)行了吸氣和不吸氣地板下的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：以平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)為參考長(zhǎng)度的雷諾數(shù)約為2.43×106。迎角范圍-2°～14°，側(cè)滑角范圍-12°～12°。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脝沃U斜背撐方式支撐，支架干擾修正采用型號(hào)試驗(yàn)的空中狀態(tài)(背撐)支架干擾量。

試驗(yàn)時(shí)采取固定模型高度變姿態(tài)角的方式進(jìn)行。固定高度變迎角試驗(yàn)時(shí)參考DNW風(fēng)洞的地效試驗(yàn)條件，取0°迎角時(shí)機(jī)身水平構(gòu)造線距離地板表面高度730mm，此時(shí)，著陸狀態(tài)襟翼后緣距離地板表面高度約1倍平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)。近地狀態(tài)的變迎角試驗(yàn)采用步進(jìn)測(cè)量。

圖8是著陸構(gòu)型近地狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果。從曲線中可以看到，迎角低于8°時(shí)，吸氣地板與固定地板的試驗(yàn)結(jié)果一致；迎角高于8°時(shí)，吸氣地板與固定地板試驗(yàn)結(jié)果比較，升力系數(shù)減小，阻力系數(shù)增加，俯仰力矩增加。這符合地面效應(yīng)的變化規(guī)律，與DNW風(fēng)洞A320的研究結(jié)果一致[16]。

5 結(jié) 論

針對(duì)大面積固定地板，提出了新的分布式吸氣地板附面層控制方案。通過(guò)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了分布式吸氣方法對(duì)固定地板附面層進(jìn)行控制的有效性，獲得了使附面層厚度最小的最佳吸氣流量控制方案。在此方案下研究了吸氣對(duì)氣流偏角的定量影響，明確了固定地板安裝高度對(duì)附面層厚度影響可以忽略。最后，將該方案在C919大型客機(jī)的地面效應(yīng)試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得了可靠地效試驗(yàn)結(jié)果。該項(xiàng)工作的完成提升了中國(guó)空氣研究與發(fā)展中心8m×6m風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰?，?duì)新型飛機(jī)近地性能評(píng)估及優(yōu)化試驗(yàn)研究有重要意義。這也是下一步精細(xì)研究固定地板附面層控制方法和地面效應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。

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(編輯：李金勇)

Experimental study on the control of fixed floor boundary layer in low speed wind tunnel

Tang Wei1,*, Chen Li2, Wang Hui2, Zhang Pingtao2

(1. School of Aeronautics Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In the wind tunnel test of aircraft-taking-and-landing and vehicles, the fixed floor is used to simulate the ground. The existence of the fixed floor boundary layer has an influence on the test data. Generally in order to obtain full and reliable experimental data close to the ground state, various methods can be used to eliminate the boundary layer influence on the surface of the ground floor. Considering the effect and feasibility of large area fixed floor, we have put forward the suction control method of boundary layer thickness in the 8m×6m wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center. The fixed floor with 48 suction units and 192 suction holes, which can be individually controlled, is developed. Based on the water ring vacuum pipe, a vacuum suction and control system is designed. Through the experiments, 10 kinds of boundary layer thickness control option are analyzed at the wind speed of 70m/s. Then we get the optimal control option with 30mm boundary layer thickness. At this optimal option, the influence on the flow angle is -0.14° and the height of the floor is also investigated. In the end, the suction floor system is applied in the wind tunnel test of C919, where it is found that at the angle of attack more than 8°, the lift coefficient decreases, the drag coefficient increases and the pitching moment increases.

fixed floor;suction floor;boundary layer;8m×6m wind tunnel;test technique

2016-04-14;

2016-07-18

TangW,ChenL,WangH,etal.Experimentalstudyonthecontroloffixedfloorboundarylayerinlowspeedwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 93-97, 103. 湯 偉, 陳 立, 王 輝, 等. 低速風(fēng)洞固定地板附面層控制實(shí)驗(yàn)研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(2): 93-97, 103.

1672-9897(2017)02-0093-10

10.11729/syltlx20160066

V211.3

A

湯 偉(1980-)，男，安徽六安人，碩士。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。通信地址：綿陽(yáng)市二環(huán)路南段6號(hào)(621000)。E-mail：503939666@qq.com

*通信作者 E-mail: 503939666@qq.com