沙心國, 郭 躍, 紀(jì) 鋒, 袁湘江, 沈 清
(中國航天空氣動力技術(shù)研究院, 北京 100074)
邊界層轉(zhuǎn)捩準(zhǔn)確預(yù)測問題是高超聲速飛行面臨的主要?dú)鈩訂栴}之一[1],邊界層流動狀態(tài)直接影響飛行器表面熱流、摩擦阻力和分離區(qū)等,進(jìn)而影響高超聲速飛行器的氣動力/熱性能、飛行穩(wěn)定性、進(jìn)氣道起動性能和發(fā)動機(jī)燃燒性能等。邊界層轉(zhuǎn)捩是一個多因素耦合影響的強(qiáng)非線性復(fù)雜流動物理現(xiàn)象,其與來流噪聲、馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、迎角、壁面溫度、前緣鈍度、粗糙度和壁面催化等眾多因素有關(guān)[2]。從1883年雷諾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩種流動狀態(tài),至今已經(jīng)一個多世紀(jì),邊界層轉(zhuǎn)捩和湍流問題依舊沒有建立完備的理論體系。目前的實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值模擬方法[3-6]仍舊無法完全模擬邊界層轉(zhuǎn)捩問題[7],對邊界層轉(zhuǎn)捩的預(yù)測能力存在不盡如人意之處,尤其是在高超聲速領(lǐng)域,主要原因是對邊界層轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象及機(jī)理認(rèn)識不清。欲實(shí)現(xiàn)高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的準(zhǔn)確預(yù)測,首先需要對邊界層轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象有清晰的認(rèn)識,摸清邊界層轉(zhuǎn)捩過程與機(jī)理,才能對邊界層轉(zhuǎn)捩過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模。
在高超聲速圓錐模型邊界層轉(zhuǎn)捩研究中,人們發(fā)現(xiàn)有迎角條件下,模型表面會出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu)。早在1969年,McDevitt和Mellenthin[8]就在高超聲速圓錐模型表面油流實(shí)驗(yàn)中觀察到了條紋結(jié)構(gòu)。Schneider[9-12]、Heitmann[13-14]、Sebastian[15]、Saric[16]、Berridge[17-18]、Chen[19]、Sivasubramanian[20-21]和Ji[22]等對條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)理開展了研究工作。總結(jié)前人研究結(jié)果,認(rèn)為條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制可以分為三類:①高超聲速圓錐上條紋結(jié)構(gòu)可能是低速時出現(xiàn)的橫流失穩(wěn)在高超聲速下的表現(xiàn)[9-16];②條紋結(jié)構(gòu)是 G?rtler渦、G?rtler渦與第二模態(tài)干擾[17-18]或第二模態(tài)的二次失穩(wěn)所致[17-21];③條紋結(jié)構(gòu)是邊界層內(nèi)不同頻率擾動波相互作用產(chǎn)生[22]。
綜上所述,雖然對圓錐模型表面邊界層失穩(wěn)過程中的條紋結(jié)構(gòu)開展了大量的研究工作,對條紋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)條件和分布規(guī)律取得了一些認(rèn)識,但對條紋結(jié)構(gòu)的研究尚不充分,條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制尚存爭議?;诖?,本文以半錐角7°的圓錐模型為研究對象,采用紅外熱圖技術(shù)[23]在常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中開展實(shí)驗(yàn)研究,旨在厘清有迎角條件下圓錐模型表面邊界層失穩(wěn)過程中條紋結(jié)構(gòu)的分布特征與規(guī)律,探究條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制。
圓錐模型半錐角為7°,前緣半徑R=1.6 mm,全長476 mm,模型共分為三段:鋼制頭部、PEEK(polyether ether ketone)材質(zhì)中段和鋼制模型底座,如圖1所示。為了保證模型強(qiáng)度和剛度,模型頭部、內(nèi)芯與底座采用30CrMnSi制成,為了滿足紅外熱像儀的拍攝需求,模型中段采用發(fā)射率高導(dǎo)熱系數(shù)低的PEEK材料制成。模型周向角定義如圖2所示。
實(shí)驗(yàn)在中國航天空氣動力技術(shù)研究院FD-07常規(guī)高超聲速風(fēng)洞[24]中進(jìn)行,該風(fēng)洞是暫沖、下吹自由射流式風(fēng)洞(圖3)。噴管出口直徑0.5 m,馬赫數(shù)范圍4~8,通過更換噴管改變來流馬赫數(shù)。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)安裝變迎角機(jī)構(gòu),迎角變化范圍為-15°~50°。實(shí)驗(yàn)段側(cè)壁開有Φ350 mm窗口,通過更換不同材質(zhì)的玻璃窗口,可以實(shí)現(xiàn)紋影拍攝或紅外拍攝。紅外觀察窗玻璃窗口為硅玻璃,其表面鍍有消反射膜和紅外增透膜,使得其在3.7~4.8 μm波段的透射率滿足實(shí)驗(yàn)要求。
圖1 圓錐模型及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Cone model and tunnel test photos
圖2 周向角的定義示意圖Fig.2 Definition of circumferential angle
圖3 FD-07高超聲速風(fēng)洞Fig.3 FD-07 hypersonic wind tunnel
紅外熱像儀采用制冷型MCT探測器,光譜范圍為3.7~4.8 μm,熱靈敏度<25 mK,測溫精度為±1 ℃,像素640×512,測溫范圍-10~1200 ℃,鏡頭焦距25 mm,幀頻最高達(dá)120 Hz。紅外熱圖測量系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 紅外熱圖測量系統(tǒng)Fig.4 Infrared thermography system
模型表面發(fā)射率、紅外窗口透射率和模型材料的熱物性參數(shù)均由具有檢驗(yàn)資質(zhì)的研究機(jī)構(gòu)測量獲得。
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來流條件和紅外熱像儀拍攝參數(shù)列于表1和表2中。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前,模型表面溫度為室溫。風(fēng)洞開啟后,紅外熱像儀開始采集記錄,待風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)流場建立并穩(wěn)定后,采用插入機(jī)構(gòu)將實(shí)驗(yàn)?zāi)P陀缮舷蛳驴焖俨迦敫叱曀倭鲌鲋行?,?shí)時記錄模型表面溫度變化,穩(wěn)定5 s后,模型移出風(fēng)洞流場,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。取在流場中第5 s時刻模型表面溫度分布進(jìn)行后續(xù)條紋結(jié)構(gòu)分析。
表1 實(shí)驗(yàn)來流參數(shù)Table 1 Test condition
表2 紅外熱像儀拍攝參數(shù)Table 2 Infrared camera parameters
采用“厚壁模型”數(shù)據(jù)處理方法[25]計(jì)算獲得的0°迎角下圓錐模型表面中心線熱流分布如圖5所示,在X<0.35 m區(qū)域,測量獲得的中心線熱流與工程算法[25]層流熱流吻合較好,在X≈0.35 m位置,中心線熱流開始升高,直到模型尾部,一直呈升高趨勢,說明在X<0.35 m的區(qū)域圓錐模型表面為層流流動,在X≈0.35 m位置開始發(fā)生轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,但是直到模型尾部,轉(zhuǎn)捩進(jìn)程并未結(jié)束,對應(yīng)的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)ReT≈5.25×106。
圖5 圓錐模型中心線熱流分布(0°迎角)Fig.5 Heat flux along cone model centerline (0° angle of attack)
圖6為7°迎角下圓錐模型表面溫度分布,由于每次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前,模型表面溫度均勻一致,因此模型表面的溫度分布與模型表面的熱流分布趨勢完全一致。由溫度分布可以判斷,在7°迎角下,圓錐模型表面的邊界層轉(zhuǎn)捩位置呈現(xiàn)迎風(fēng)面靠后,背風(fēng)面靠前,模型側(cè)面轉(zhuǎn)捩較早發(fā)生的分布特征。在圓錐模型表面存在大量的條紋結(jié)構(gòu),條紋起始于模型迎風(fēng)面或側(cè)面的層流區(qū),沿流向逐漸變寬變強(qiáng),向背面風(fēng)中心匯聚,且條紋的起始位置和強(qiáng)度在周向位置上存在差異。隨著周向角的增加,條紋結(jié)構(gòu)的起始位置向上游移動。
圖6 模型表面溫度分布(側(cè)面,7°迎角)Fig.6 Distribution of surface temperature(side view, 7° angle of attack)
圖7為不同迎角下模型側(cè)面溫度分布,對比發(fā)現(xiàn),隨著迎角增加,模型表面條紋結(jié)構(gòu)的起始位置向上游移動,條紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異越來越大。另外,隨著模型迎角的增加,模型表面條紋與模型中心線的夾角逐漸增加。
在條紋結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究中,主要采用油流法、溫敏漆技術(shù)(TSP)和紅外熱圖技術(shù)進(jìn)行條紋結(jié)構(gòu)的顯示與測量,其中油流法獲得的條紋結(jié)構(gòu)直接與模型表面流線相關(guān),條紋結(jié)構(gòu)遍布整個模型表面,其起始于迎風(fēng)面,向背風(fēng)面延伸,這種條紋結(jié)構(gòu)是由橫流渦產(chǎn)生。采用TSP或者紅外熱圖技術(shù)獲得的條紋結(jié)構(gòu)直接與模型表面溫度和熱流相關(guān),其一般出現(xiàn)在模型中后段,其同樣起始于模型迎風(fēng)面,向背風(fēng)面發(fā)展,針對這種條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)理尚存爭議。
文獻(xiàn)[22]采用直接數(shù)值模擬的方法對圓錐模型邊界層內(nèi)擾動波的發(fā)展進(jìn)行了研究,在計(jì)算域入口處引入不同頻率的擾動波。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)不同頻率的擾動波相互作用會產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu),圖8給出的是擾動速度的最大值等值面時均分布結(jié)果,條紋結(jié)構(gòu)在模型中后段出現(xiàn),隨著周向角的增加,條紋結(jié)構(gòu)的起始位置向上游移動,計(jì)算獲得的條紋結(jié)構(gòu)分布規(guī)律與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。由此推測,有迎角條件下,邊界層內(nèi)不同頻率擾動波相互作用是圓錐模型表面條紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一種機(jī)制。
圖7 不同迎角下模型表面溫度分布(側(cè)面)Fig.7 Distribution of surface temperature at different angle of attack (side view)
圖8 數(shù)值模擬獲得的條紋結(jié)構(gòu)[22]Fig.8 Streaks obtained by numerical simulation [22]
以半錐角7°圓錐模型為研究對象,采用紅外熱圖技術(shù)在高超聲速風(fēng)洞中開展邊界層轉(zhuǎn)捩測量實(shí)驗(yàn),通過對比分析,獲得以下結(jié)論:
1) 有迎角條件下,在模型表面中后段出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu),條紋的起始位置隨周向角的增加向上游移動,條紋的寬度與強(qiáng)度沿流向逐漸增加;
2) 隨著迎角的增加,條紋結(jié)構(gòu)的起始位置向上游移動,條紋強(qiáng)度差異和條紋與模型中心線的夾角越來越大。
3) 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與直接數(shù)值模擬獲得的條紋結(jié)構(gòu)特征相同,邊界層內(nèi)不同頻率擾動波相互作用是產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu)的一種機(jī)制。
致謝:感謝張婷婷在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量方面的協(xié)助,感謝文帥在數(shù)據(jù)處理方面的幫助。