高超聲速風(fēng)洞HSCM系列標準模型氣動力實驗數(shù)據(jù)

張婷婷, 葉 瑞, 姜 維, 陳 星

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京 100074)

引 言

高超聲速技術(shù)是未來航空航天技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域,而高超聲速風(fēng)洞氣動力實驗是為高超聲速飛行器設(shè)計和性能評估提供可靠數(shù)據(jù)不可或缺的重要技術(shù)手段[1].為了研究和確認高超聲速風(fēng)洞氣動力實驗的準度和可信度問題,通常采用高超聲速風(fēng)洞標模,來考核風(fēng)洞流場品質(zhì)、測量儀器設(shè)備(如天平、傳感器)精準度,以及驗證實驗技術(shù)和方法.此外,高超聲速標模風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)也為CFD算法、計算模型的評估和驗證提供參考依據(jù).總的來看,在風(fēng)洞建成運行初期、在風(fēng)洞實驗技術(shù)與CFD技術(shù)的不斷發(fā)展過程中,風(fēng)洞標模實驗一直都有特別重要的現(xiàn)實意義[2].

國外最著名的標模是AGARD系列標模,至今仍被世界各國廣泛采用.我國在2002年頒布的國軍標《高超聲速風(fēng)洞氣動力試驗方法》[3]中,給出了高超聲速風(fēng)洞常用標模系列,包括HSCM-1,HSCM-2,HSCM-3和HSCM-4這4個標準模型,該系列標模的典型氣動特征為軸對稱旋成體.HSCM-1標模為AGARD HB-2標模,HSCM-2標模為半錐角θc=10°尖錐標模,HSCM-3標模為半錐角θc=9°鈍錐標模,HSCM-4標模為AGARD-B標模.HSCM系列標模在我國高超聲速風(fēng)洞建設(shè)和型號研制中起到了重要的作用.

近些年高超聲速飛行器的氣動布局發(fā)展趨于多樣性和復(fù)雜化,常見的有乘波體、翼身融合體和升力體外形.傳統(tǒng)的標模已經(jīng)不能完全反映這些新型飛行器的典型特征和氣動特點,為了滿足新型高超聲速飛行器對于提高地面預(yù)測能力的研究需求,近些年開啟了新型標模的研制,用于進一步完善我國的高超聲速標模體系.

但是,傳統(tǒng)的HSCM系列標模仍然具有重要意義.盡管出現(xiàn)了新型外形,但是還有相當部分的高超聲速飛行器沿用了軸對稱的外形特點,且傳統(tǒng)標模簡單卻具代表性的結(jié)構(gòu)特征,更適用于高超聲速流動的機理研究.此外,相較于新型外形標模的復(fù)雜繞流,傳統(tǒng)標模的流動相對簡單,便于不同設(shè)備之間、同一設(shè)備不同期實驗之間的數(shù)據(jù)對比.AGARD HB-2標模、半錐角θc=10°尖錐標模和AGARD-B標模這3個標模,較全面地反映了傳統(tǒng)高超聲速飛行器的外形結(jié)構(gòu)特點,選取其為高超聲速標模實驗對象有較好的代表性.

針對HSCM系列標模的風(fēng)洞氣動力數(shù)據(jù),早期在國內(nèi)外很多高超聲速風(fēng)洞做過大量的實驗研究[4-13],但是國內(nèi)外都缺乏系統(tǒng)化、精細化的總結(jié).高超聲速范圍內(nèi),由于風(fēng)洞尺寸和實驗來流條件上的差異,國內(nèi)外風(fēng)洞實驗缺少對Mach數(shù)范圍和對攻角變化范圍系統(tǒng)性和完整性的數(shù)據(jù),較多見到的是α=0°附近的實驗結(jié)果.國軍標《高超聲速風(fēng)洞氣動力試驗方法》中規(guī)定了常用標準模型的外形和相應(yīng)的測力結(jié)果,但是只有個別Mach數(shù)的數(shù)據(jù).但風(fēng)洞實驗中需要更寬范圍的標模實驗數(shù)據(jù),以方便進行衡量和比對.

本文匯總了近5年FD-07風(fēng)洞HSCM系列AGARD HB-2標模、尖錐10°標模和AGARD-B標模的實驗結(jié)果,旨在為相關(guān)實驗和計算的評估提供系統(tǒng)、全面、詳實、可靠的實驗數(shù)據(jù).

1 風(fēng)洞設(shè)備

FD-07風(fēng)洞為暫沖、吹引式Ф0.5 m高超聲速風(fēng)洞,以空氣為工作介質(zhì),Mach數(shù)范圍為4～8.現(xiàn)有支撐模型天平的快速插入式攻角機構(gòu)可使攻角變化范圍為-10°～50°.實驗段側(cè)壁開有通光口徑為520 mm ×320 mm光學(xué)玻璃窗口,供紋影儀觀察和拍攝流場使用，見圖1.

圖1 FD-07風(fēng)洞設(shè)備Fig.1 FD-07 wind tunnel equipment

2 標模

2.1 AGARD HB-2標模

AGARD HB-2標模如圖2所示,為球-柱-裙構(gòu)形,其柱段直徑dm=70 mm，裙底直徑為db=112 mm.這種構(gòu)形的流場其典型特征為繞流存在亞/跨/超聲速3個區(qū)域,柱/裙拐角處會因裙前斜激波誘導(dǎo)邊界層分離,使既有頭部弓形波又有分離激波,同時又存在拐角膨脹,而且裙部邊界層的作用會使Reynolds數(shù)效應(yīng)和分離效應(yīng)更加突出.圖2中，1～5點的x坐標:x1=0.173 2dm,x2=0.521 8dm,x3=0.817 6dm,x4=2.848 7dm,x5=3.543 3dm.

圖2 AGARD HB-2標模Fig.2 AGARD HB-2 calibration model

FD-07風(fēng)洞在Ma=5,6,8的氣流條件下,以dm為特征長度的Reynolds數(shù)分別為Redm×10-6=1.6,1.3,0.9.

2.2 θc=10°尖錐標模

θc=10°尖錐標模如圖3所示,模型長度L為340 mm.參考面積取模型底部面積,力矩參考長度取模型長度,力矩參考點取模型頭部頂點,壓心系數(shù)的無因次參考長度取模型長度.

圖3 θc=10°尖錐標模Fig.3 Circular cone calibration model with θc=10°

FD-07在Ma=5，6，7，8氣流條件下,以模型長度為特征長度的Reynolds數(shù)在分別為ReL×10-6=14.5,12.2,5.4,6.2.

2.3 AGARD-B標模

AGARD-B標模如圖4所示,是一個帶雙三角翼的尖頂圓柱組合體,其流場的典型意義體現(xiàn)在翼體間復(fù)雜的氣動干擾,以及激波誘導(dǎo)旋渦分離對氣動特性產(chǎn)生明顯的非線性效應(yīng).該標模實驗研究對常見的翼體組合體氣動布局外形有極其現(xiàn)實的典型意義.機頭外形曲線(圓弧半徑r與軸向坐標x關(guān)系)

圖4 AGARD-B標模Fig.4 AGARD-B calibration model

FD-07風(fēng)洞模型全長510 mm,在Ma=5,6,7,8的氣流條件下,以模型全長為特征長度的Reynolds數(shù)分別為ReL×10-6=10.7,9.7,7.8,5.6.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 AGARD HB-2標模

Opalka綜合報告U.S.BRL的BRL(1),BRL(4)和AEDC的VKF(A),VKF(B),VKF(C),VKF(D),VKF(E)等風(fēng)洞設(shè)備中HB-2標模的氣動力測量結(jié)果[6],選擇與FD-07風(fēng)洞實驗Reynolds數(shù)相近的實驗結(jié)果加以比較.圖5～8分別給出了FD-07風(fēng)洞和國外風(fēng)洞AGARD HB-2標模α=0°附近的前部軸向力系數(shù)CAF,底部軸向力系數(shù)CAb,法向力斜率CNα,零升壓中心系數(shù)Xcp相對于Ma的變化.盡管FD-07風(fēng)洞與國外其他風(fēng)洞存在著諸如流場品質(zhì)、天平及測試儀器的精度、模型尺度與制造偏差、支桿粗細對底部流場的干擾、模型在風(fēng)洞中安裝姿態(tài)的偏差等可能影響到氣動力測量結(jié)果的各種不同因素,但是FD-07風(fēng)洞的測量數(shù)據(jù)點幾乎落在國外風(fēng)洞實驗結(jié)果的擬合曲線上,相對偏差大約±2%,從量值和規(guī)律上反映FD-07風(fēng)洞與其他風(fēng)洞設(shè)備HB-2標模氣動力測量結(jié)果的一致性和銜接性.

圖5 HB-2標模CAF-Ma曲線圖Fig.5 CAF-Ma curve of HB-2 calibration model

圖6 HB-2標模CAb-Ma曲線Fig.6 CAb-Ma curve of HB-2 calibration model

圖7 HB-2標模CNα-Ma曲線Fig.7 CNα-Ma curve of HB-2 calibration model

圖8 HB-2標模Xcp-Ma曲線Fig.8 Xcp-Ma curve of HB-2 calibration model

圖9～12分別給出了FD-07風(fēng)洞不同Mach數(shù)下軸向力系數(shù)CA,法向力系數(shù)CN,俯仰力矩系數(shù)Cm,壓力中心系數(shù)Xcp隨攻角的變化曲線.同時給出了中國空氣動力研究與發(fā)展中心的CARDC_1 m 風(fēng)洞的測量值[14]和國軍標Ma=5的數(shù)據(jù)作為參考.FD-07 風(fēng)洞的測量數(shù)據(jù)與CARDC_1 m 風(fēng)洞的測量數(shù)據(jù)在不同Ma下隨攻角的變化規(guī)律顯示出較好的趨同性.而且Ma=5時,FD-07風(fēng)洞的測量數(shù)據(jù)與國軍標給出的數(shù)據(jù)幾乎一致.表1是FD-07風(fēng)洞AGARD HB-2標模在Ma∞=5,6,8時的測力數(shù)據(jù).

圖9 HB-2標模CA-α曲線Fig.9 CA-α curves of HB-2 calibration model

圖10 HB-2標模CN-α曲線Fig.10 CN-α curves of HB-2 calibration model

圖11 HB-2標模Cm-α曲線Fig.11 Cm-α curves of HB-2 calibration model

圖12 HB-2標模Xcp-α曲線Fig.12 Xcp-α curves of HB-2 calibration model

表1 AGARD HB-2標模在Ma∞=5,6,8時測力結(jié)果Table 1 Aerodynamic test data of AGARD HB-2 calibration model

3.2 θc=10°尖錐標模

圖13～16給出了θc=10°尖錐模型在FD-07風(fēng)洞中測量的法向力系數(shù)CN,軸向力系數(shù)CA,俯仰力矩系數(shù)Cm,壓力中心系數(shù)Xcp隨α的變化,國軍標Ma=5的數(shù)據(jù)、FL-31風(fēng)洞Ma=5和Ma=7時α=0°的軸向力系數(shù)CA,Jones[7]給出的有迎角尖錐無黏流的數(shù)值解對應(yīng)描繪在圖中.

圖13 θc=10°尖錐標模CA-α曲線Fig.13 CA-α curves of circular cone calibration model with θc=10°

圖14 θc=10°尖錐標模CN-α曲線Fig.14 CN-α curves of circular cone calibration model with θc=10°

圖15 θc=10°尖錐標模Cm-α曲線Fig.15 Cm-α curves of circular cone calibration model with θc=10°

圖16 θc=10°尖錐標模Xcp-α曲線Fig.16 Xcp-α curves of circular cone calibration model with θc=10°

Ma=5時,FD-07數(shù)據(jù)和國軍標數(shù)據(jù)一致性較好,給出的FL-31風(fēng)洞數(shù)據(jù)點和FD-07也非常吻合,CN的實驗值與理論值相比,理論值稍高于實驗值,總體規(guī)律一致.國軍標該標模外形簡單,除了軸向力系數(shù)表現(xiàn)出明顯的Mach數(shù)效應(yīng),在較小攻角范圍內(nèi)的法向力系數(shù)差異很小.

Newton理論導(dǎo)出的尖錐壓力中心系數(shù)計算公式為Xcp=2/3(1+tan2θc)=0.687 4,與物形幾何參數(shù)有關(guān),與Ma和α無關(guān).實驗結(jié)果中盡管壓力中心不規(guī)則地移動,但是Xcp始終非常緊靠Newton理論值.

表2是FD-07風(fēng)洞θc=10°尖錐標模在Ma∞=5,6,7,8時的測力數(shù)據(jù).

表2 θc=10°尖錐標模在Ma∞=5,6,7,8時測力結(jié)果Table 2 Aerodynamic test data of circular cone calibration model with θc=10°

3.3 AGARD-B標模

從超聲速到高超聲速,國內(nèi)外諸多風(fēng)洞都對AGARD-B標模進行過大量的測力實驗.文獻[10]比較全面地歸納了國外從超聲速到高超聲速諸多風(fēng)洞AGARD-B標模實驗數(shù)據(jù),包括α=0°附近升力線斜率CLα，零升前體阻力CDF，底部阻力CDb，零升壓力中心位置Xcp隨Ma的變化.將FD-07風(fēng)洞的實驗數(shù)據(jù)和國外風(fēng)洞的相比較,列示在圖17～20中.

圖17 AGARD-B標模CLα-Ma曲線Fig.17 CLα-Ma curve of AGARD-B calibration model

圖18 AGARD-B標模CDF-Ma曲線Fig.18 CDF-Ma curve of AGARD-B calibration model

圖19 AGARD-B標模CDb-Ma曲線Fig.19 CDb-Ma curve of AGARD-B calibration model

圖20 AGARD-B標模Xcp-Ma曲線Fig.20 Xcp-Ma curve of AGARD-B calibration model

可以看出Ma=5～8高超聲速范圍,FD-07風(fēng)洞的CLα實驗點幾乎落在國外風(fēng)洞CLα～Ma擬合曲線上,其相對偏差大約±2%；Xcp實驗點與Xcp～Ma曲線的變化極其一致,不僅表現(xiàn)在壓心相對位移量很小,而且表現(xiàn)在壓心位置隨Ma增加從急劇到平緩前移極有規(guī)律的銜接變化.至于CDF,由于對Re數(shù)效應(yīng)比較敏感,國外各風(fēng)洞的CDF測值大致 ±10% 的相對偏差帶在擬合曲線上下散布.相對而言,FD-07風(fēng)洞的CDF值更緊靠擬合曲線.考慮到不同風(fēng)洞之間系統(tǒng)誤差的差異,包括流場品質(zhì)、測試儀器、模型制造、姿態(tài)控制系統(tǒng)等,FD-07風(fēng)洞的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的一致性.

圖21～24中給出了FD-07風(fēng)洞不同Mach數(shù)下AGARD-B標模升力CL，前體阻力CDF，俯仰力矩系數(shù)Cm壓力中心位置Xcp隨α的變化曲線.整體來看,Ma=5時,FD-07風(fēng)洞的數(shù)據(jù)和國軍標數(shù)據(jù)一致性很好,升力CL相差約1%,壓心位置相差0.8%以內(nèi).

圖21 AGARD-B標模CL-α曲線Fig.21 CL-α curves of AGARD-B calibration model

圖22 AGARD-B標模CDF-α曲線Fig.22 CDF-α curves of AGARD-B calibration model

圖23 AGARD-B標模Cm-α曲線Fig.23 Cm-α curves of AGARD-B calibration model

圖24 AGARD-B標模Xcp-α曲線Fig.24 Xcp-α curves of AGARD-B calibration model

表3是FD-07風(fēng)洞AGARD-B標模在Ma∞=5，6，7，8時的測力數(shù)據(jù).

表3 AGARD-B 標模在Ma∞=5,6,7,8時測力結(jié)果Table 3 Aerodynamic test data of AGARD-B calibration model

續(xù)表

4 結(jié)論

本文匯總了近5年FD-07風(fēng)洞HSCM系列標模實驗的結(jié)果,針對尖錐標模、AGARD HB-2標模和AGARD-B標模,給出了系統(tǒng)、全面、詳實、可靠的實驗數(shù)據(jù),為相關(guān)實驗和計算的評估提供借鑒和參考.