高超聲速尖錐邊界層壓力脈動(dòng)和熱流脈動(dòng)特性試驗(yàn)

李強(qiáng),萬(wàn)兵兵,楊凱,朱濤

1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動(dòng)力研究所,綿陽(yáng) 621000

2.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,綿陽(yáng) 621000

高超聲速飛行器在臨近空間和大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間、高速飛行時(shí),面臨著嚴(yán)峻的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱問(wèn)題,邊界層轉(zhuǎn)捩的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程嚴(yán)重影響著飛行器的氣動(dòng)性能,甚至可能成為影響成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩位置預(yù)測(cè)是一個(gè)尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題,它對(duì)于飛行器設(shè)計(jì)具有非常重要的作用,邊界層轉(zhuǎn)捩的起始位置和擾動(dòng)的發(fā)展影響著飛行器的表面摩阻、熱流、分離發(fā)生的位置等,進(jìn)而顯著影響高超聲速飛行器氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱特性,準(zhǔn)確地測(cè)量邊界層轉(zhuǎn)捩發(fā)生的位置和其后擾動(dòng)的發(fā)展對(duì)高速飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì),特別是熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的,對(duì)于飛行器設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)合當(dāng)前高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的理論研究,來(lái)流擾動(dòng)的演化和發(fā)展被認(rèn)為是邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)理的核心。相應(yīng)地,風(fēng)洞試驗(yàn)研究也越來(lái)越關(guān)注高頻脈動(dòng)量的測(cè)試與分析。目前,風(fēng)洞試驗(yàn)中常用的高頻脈動(dòng)測(cè)試手段主要有：利用以PCB132為主的高頻脈動(dòng)壓力傳感器獲得高頻壓力脈動(dòng)信號(hào),但是上述高頻脈動(dòng)壓力傳感器1 MHz以上的固有頻率限制了其只能有效測(cè)試500 k Hz以下的高頻脈動(dòng)壓力信號(hào)；采用熱線風(fēng)速儀獲取高頻速度脈動(dòng),在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中要想獲得更高速度脈動(dòng)信號(hào)就需要使得熱線更細(xì),而更細(xì)的熱線在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中更容易斷裂失效；基于非接觸式光學(xué)測(cè)量手段發(fā)展的聚焦激光差分干涉儀主要用來(lái)捕捉高頻密度脈動(dòng),顯然,聚焦激光差分干涉儀對(duì)觀測(cè)光路條件及測(cè)試設(shè)備布放空間要求比較高,且只能完成單點(diǎn)位置上的測(cè)試,往往需要結(jié)合CFD 計(jì)算或是多次測(cè)試以確定最關(guān)心的測(cè)試位置；高頻熱流脈動(dòng)的測(cè)試主要是利用基于溫差的熱阻式測(cè)熱原理發(fā)展起來(lái)的原子層熱電堆(ALTP)熱流傳感器實(shí)現(xiàn)。從理論上來(lái)說(shuō),熱流脈動(dòng)是法向溫度梯度的脈動(dòng)量,壓力脈動(dòng)與熱流脈動(dòng)可通過(guò)狀態(tài)方程建立關(guān)聯(lián),因此熱流傳感器測(cè)得的結(jié)果與壓力傳感器應(yīng)一致。

國(guó)外,利用ALTP熱流傳感器在高超聲速風(fēng)洞中開(kāi)展大量高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究,測(cè)量得到了平板或尖錐模型表面脈動(dòng)熱流第二模態(tài)波頻譜,并得到了波包群速度、相速度等,與PCB 傳感器或熱線風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果相吻合,這說(shuō)明了熱流脈動(dòng)與壓力脈動(dòng)的正關(guān)聯(lián)關(guān)系。

國(guó)內(nèi),在脈沖燃燒風(fēng)洞中,使用國(guó)外的ALTP傳感器開(kāi)展過(guò)脈動(dòng)熱流測(cè)量試驗(yàn)。在缺乏ALTP熱流傳感器的情況下,也嘗試過(guò)利用薄膜熱電阻熱流傳感器(以下簡(jiǎn)稱薄膜熱流計(jì))進(jìn)行高頻熱流脈動(dòng)測(cè)試。但是,基于半無(wú)限大體假設(shè)的薄膜熱流計(jì)在將溫度測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱流時(shí),算法會(huì)放大噪聲干擾,而ALTP熱流傳感器的輸出與被測(cè)熱流成線性正比關(guān)系,不存在算法變換的問(wèn)題。

本文作者在之前的研究中,對(duì)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心?2 m 激波風(fēng)洞(FD-14A)中的薄膜熱流傳感器測(cè)熱技術(shù)、溫敏熱圖測(cè)量技術(shù)、高頻脈動(dòng)壓力測(cè)量技術(shù)、高時(shí)空分辨率紋影顯示技術(shù)等適用于激波風(fēng)洞的邊界層轉(zhuǎn)捩測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。在前述工作基礎(chǔ)上,采用PCB高頻脈動(dòng)壓力傳感器和自研的ALTP 熱流傳感器,在?2 m 激波風(fēng)洞(FD-14A)中,對(duì)尖錐模型表面高頻壓力脈動(dòng)和高頻熱流脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證自研的ALTP 熱流傳感器頻譜響應(yīng)性能,并對(duì)激波風(fēng)洞邊界層壓力脈動(dòng)和熱流脈動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比研究。

1 PCB壓力傳感器和ALTP熱流傳感器

PCB高頻脈動(dòng)壓力傳感器的詳情可參考文獻(xiàn)[35]。本次試驗(yàn)采用PCB132A31型壓力傳感器,固有頻率超過(guò)1 MHz,風(fēng)洞配套的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采樣頻率為5 MHz。

ALTP熱流傳感器是一類熱阻式熱流傳感器,其敏感元件為百納米級(jí)厚的釔鋇銅氧化物(YBaCuO,YBCO)薄膜。由于描述YBCO 薄膜熱電效應(yīng)的塞貝克系數(shù)是一個(gè)二階張量,通過(guò)YBCO 薄膜晶體取向控制便能使得YBCO 薄膜在溫度梯度場(chǎng)下的電輸出與溫度梯度方向垂直,即橫向塞貝克效應(yīng)。因此,不像HFM 型熱阻式熱流傳感器需要引入μm 級(jí)厚度的熱阻層,ALTP熱流傳感器中YBCO 薄膜既是熱阻層,又是溫度梯度場(chǎng)下電信號(hào)產(chǎn)生元件,使得敏感薄膜能控制在百納米級(jí)厚度,百納米級(jí)厚度才能保證傳感器的響應(yīng)頻率達(dá)到1 MHz以上。本文所使用的ALTP熱流傳感器外徑8 mm、YBCO 薄膜有效尺寸為3 mm×1 mm,如圖1所示；利用可溯源至室溫電標(biāo)定輻射計(jì)的熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)ALTP 傳感器進(jìn)行標(biāo)定,不確定度小于5%。傳感器測(cè)試原理、傳感器封裝結(jié)構(gòu)等詳情可參考文獻(xiàn)[37]。

圖1 自研的ALTP熱流傳感器Fig.1 Self-innovated ALTP heat-flux sensors

2 尖錐模型試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)在3個(gè)流場(chǎng)條件下開(kāi)展,流場(chǎng)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪?7°半錐角尖錐模型,0°攻角,如圖2所示,模型頭部鈍度0.05 mm,理論尖點(diǎn)距模型底部800 mm。沿模型90°母線安裝8個(gè)PCB高頻脈動(dòng)壓力傳感器,第1個(gè)傳感器軸線與模型母線交點(diǎn)沿模型軸向距模型理論尖點(diǎn)125 mm,以后各傳感器間距80 mm。0°母線上,從=125 mm(坐標(biāo)是沿模型軸線至理論尖點(diǎn)的距離)位置處開(kāi)始,間隔20 mm 安裝32個(gè)鉑電阻熱流傳感器。在尖錐模型后端安裝4支ALTP熱流傳感器,1#2#ALTP傳感器與7#PCB 傳感器等圓截面(=605 mm)、3#4#ALTP傳感器與8# PCB 傳感器等圓截面(=685 mm)。ALTP熱流傳感器以及薄膜熱流計(jì)的采樣頻率都設(shè)置為1 MHz。

表1 激波風(fēng)洞流場(chǎng)參數(shù)Table 1 Flow field parameters of shock tunnel

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皞鞲衅鱂ig.2 Experimental model and sensors

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 邊界層轉(zhuǎn)捩

如圖3所示,給出了鉑電阻熱流傳感器測(cè)量的熱流/q沿流向分布變化情況,反應(yīng)了尖錐模型表面邊界層在3個(gè)流場(chǎng)條件下的轉(zhuǎn)捩情況。激波風(fēng)洞是脈沖型高超聲速風(fēng)洞,熱流傳感器測(cè)量的是冷壁熱流,沿流向通過(guò)熱流測(cè)量結(jié)果的空間分布可以判斷邊界層轉(zhuǎn)捩情況。流場(chǎng)1 條件下熱流從頭部開(kāi)始降低,此時(shí)邊界層為層流流態(tài)；在≈200～250 mm 區(qū)間熱流升高,表明邊界層開(kāi)始轉(zhuǎn)捩；在≈400 mm 位置附近,熱流升到最高并開(kāi)始振蕩降低,表明邊界層轉(zhuǎn)捩完成變成湍流流態(tài)。流場(chǎng)2和流場(chǎng)3條件下,熱流從頭部開(kāi)始單調(diào)降低,表明邊界層一直是層流流態(tài)。需要說(shuō)明的是,圖中熱流結(jié)果是以半徑=15 mm 的球頭駐點(diǎn)熱流為無(wú)量綱參考值得到的結(jié)果。

從圖3中可以看出,流場(chǎng)1單位雷諾數(shù)最高,尖錐模型邊界層大概在≈200～250 mm 區(qū)間開(kāi)始轉(zhuǎn)捩,8支PCB傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層處于層流/轉(zhuǎn)捩/湍流3種不同流態(tài),而ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層是湍流流態(tài)。流場(chǎng)2單位雷諾數(shù)低一些,尖錐模型邊界層為層流流態(tài),邊界層還未開(kāi)始轉(zhuǎn)捩。流場(chǎng)3雷諾數(shù)最低,尖錐模型邊界層為層流流態(tài),邊界層還未開(kāi)始轉(zhuǎn)捩,另外流場(chǎng)2和流場(chǎng)3無(wú)量綱熱流結(jié)果基本重合。

圖3 尖錐模型表面熱流分布Fig.3 Heat flux distribution on cone model surface

3.2 壓力脈動(dòng)特性

圖4～圖6給出了3個(gè)流場(chǎng)條件下的PCB傳感器測(cè)量的壓力脈動(dòng)功率譜(PSD)。流場(chǎng)1的8支PCB傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層處于層流/轉(zhuǎn)捩/湍流3種不同流態(tài),因此壓力脈動(dòng)功率譜既有典型的第二模態(tài)波頻譜特性,也有湍流頻譜特性。流場(chǎng)2條件下整個(gè)尖錐模型表面都是層流,圖5中的頻譜特性顯示了第二模態(tài)波沿流向頻率降低、幅值增大的現(xiàn)象,可以推論雖然目前測(cè)量的尖錐邊界層為層流流態(tài),但如果尖錐模型足夠長(zhǎng),該工況下邊界層即將開(kāi)始轉(zhuǎn)捩。流場(chǎng)3條件下尖錐模型邊界層也為層流,但雷諾數(shù)更低,圖6中顯示壓力傳感器都沒(méi)有測(cè)到明顯的第二模態(tài)波,但對(duì)比3.4節(jié),該流場(chǎng)第二模態(tài)波信號(hào)較弱,本節(jié)中功率譜處理方法不能顯示細(xì)節(jié),使得結(jié)果失真。

圖4 流場(chǎng)1壓力脈動(dòng)功率譜Fig.4 PSD of pressure fluctuations in flow-field 1

圖5 流場(chǎng)2壓力脈動(dòng)功率譜Fig.5 PSD of pressure fluctuations in flow-field 2

圖6 流場(chǎng)3壓力脈動(dòng)功率譜Fig.6 PSD of pressure fluctuations in flow-field 3

3.3 熱流脈動(dòng)特性

圖7～圖9給出了3個(gè)流場(chǎng)條件下的ALTP傳感器測(cè)量的熱流脈動(dòng)功率譜。流場(chǎng)1 條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域是湍流,熱流脈動(dòng)呈現(xiàn)典型的湍流頻譜特性,沒(méi)有明顯的峰值頻帶。流場(chǎng)2條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域是層流,圖中顯示ALTP傳感器測(cè)量得到了比較明顯的熱流脈動(dòng)第二模態(tài)波頻譜特性(150 k Hz附近),并且4只傳感器測(cè)量的頻率變化規(guī)律符合其安裝位置關(guān)系(圖中PSD 幅值僅供參考)。另外圖8 中300 k Hz附近頻帶是第二模態(tài)波諧波,3.4 節(jié)有相關(guān)計(jì)算結(jié)果證明；60 k Hz附近頻帶可能是風(fēng)洞流場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的干擾信號(hào)。流場(chǎng)3條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域也是層流,但單位雷諾數(shù)更低,ALTP傳感器測(cè)量得到了明顯的熱流脈動(dòng)第二模態(tài)波頻譜特性,但其幅值相對(duì)流場(chǎng)2情況下明顯較弱,而流場(chǎng)3條件下的鉑薄膜熱流傳感器測(cè)量得到的熱流絕對(duì)值實(shí)際上相對(duì)更高一點(diǎn),所以這一情況反映了由于該流場(chǎng)單位雷諾數(shù)較低,擾動(dòng)波的發(fā)展相對(duì)較晚,相同位置熱流脈動(dòng)相對(duì)較弱。另外流場(chǎng)3條件下沒(méi)有觀測(cè)到諧波,60 k Hz附近頻帶同樣存在干擾信號(hào)。

圖7 流場(chǎng)1熱流脈動(dòng)功率譜Fig.7 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 1

圖8 流場(chǎng)2熱流脈動(dòng)功率譜Fig.8 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 2

圖9 流場(chǎng)3熱流脈動(dòng)功率譜Fig.9 PSD of heat flux fluctuations in flow-field 3

需要說(shuō)明的是,圖4～圖9 都是利用Welch方法獲得的信號(hào)功率譜密度。為了捕捉到測(cè)試數(shù)據(jù)中高頻脈動(dòng)分量,且以較為光滑的曲線形式將其凸顯出來(lái),分析過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較少,帶來(lái)的問(wèn)題就是細(xì)節(jié)丟失,在高頻分量不存在或非常弱的情況下容易出現(xiàn)局部失真。

3.4 壓力脈動(dòng)特性與熱流脈動(dòng)特性對(duì)比

如圖10～圖15所示,分別給出了3個(gè)流場(chǎng)條件下對(duì)應(yīng)位置的1#ALTP 和7#PCB、3#ALTP和8#PCB 傳感器功率譜及與e 方法的對(duì)比。本節(jié)主要分析相同截面位置不同傳感器頻譜及與線性穩(wěn)定性理論對(duì)比,因此頻譜分析Welch方法的采樣點(diǎn)取得比較多,使獲得的功率譜曲線圖能反映頻譜細(xì)節(jié),以研究邊界層脈動(dòng)特性。

圖15 流場(chǎng)3的3#ALTP 和8#PCB 功率譜與線性穩(wěn)定性理論分析N 值對(duì)比Fig.15 PSD of 3#ALTP and 8#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 3

圖10和圖11中,流場(chǎng)1條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層是湍流流態(tài),圖中壓力和熱流脈動(dòng)頻譜都是湍流頻譜特性,沒(méi)有特別明顯的峰值頻帶；湍流條件下壓力頻譜圖中各頻率能量分布比較均勻,而熱流頻譜圖中隨頻率增大能量衰減比較明顯。

圖10 流場(chǎng)1的1#ALTP和7#PCB功率譜對(duì)比Fig.10 Comparison of PSD for 1#ALTP and 7#PCB in flow-field 1

圖11 流場(chǎng)1的3#ALTP和8#PCB功率譜對(duì)比Fig.11 Comparison of PSD for 3#ALTP and 8#PCB in flow-field 1

圖12和圖13中,流場(chǎng)2條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層是層流流態(tài),兩種傳感器都測(cè)量得到了比較明顯的第二模態(tài)波頻譜,并且壓力脈動(dòng)和熱流脈動(dòng)頻譜以及線性穩(wěn)定性理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,第二模態(tài)波主頻在150 k Hz附近；另外線性穩(wěn)定性理論計(jì)算結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更高頻模態(tài)擾動(dòng)波,300 k Hz附近的頻帶峰值是第二模態(tài)波的諧波。

圖12 流場(chǎng)2的1#ALTP 和7#PCB 功率譜與線性穩(wěn)定性理論分析N 值對(duì)比Fig.12 PSD of 1#ALTP and 7#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 2

圖13 流場(chǎng)2的3#ALTP 和8#PCB 功率譜與線性穩(wěn)定性理論分析N 值對(duì)比Fig.13 PSD of 3#ALTP and 8#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 2

圖14和圖15中,流場(chǎng)3條件下ALTP傳感器測(cè)量區(qū)域邊界層也是層流流態(tài),但流場(chǎng)單位雷諾數(shù)更低,相同位置壓力傳感器沒(méi)有測(cè)到非常明顯的第二模態(tài)波擾動(dòng),或者說(shuō)是在100～200 k Hz頻帶范圍內(nèi)有擾動(dòng)波存在現(xiàn)象；與熱流脈動(dòng)對(duì)應(yīng)看,熱流脈動(dòng)在150 k Hz左右已經(jīng)存在明顯的擾動(dòng)波,而壓力脈動(dòng)頻譜存在類似現(xiàn)象卻不凸顯；主要原因在于風(fēng)洞試驗(yàn)中背景擾動(dòng)以壓力脈動(dòng)為主、溫度或密度脈動(dòng)相對(duì)較弱,導(dǎo)致ALTP 傳感器更容易捕捉模態(tài)的熱流脈動(dòng)頻譜,而壓力傳感器在背景擾動(dòng)干擾下無(wú)法凸顯第二模態(tài)。目前的線性穩(wěn)定性理論是基于每個(gè)物理量波動(dòng)參數(shù)均相等的前提假設(shè),因此理論分析不能區(qū)分實(shí)驗(yàn)中不同物理量的不同演化特征。

圖14 流場(chǎng)3的1#ALTP 和7#PCB 功率譜與線性穩(wěn)定性理論分析N 值對(duì)比Fig.14 PSD of 1#ALTP and 7#PCB and comparison with N factor from LST computation in flowfield 3

另外,在圖12～圖15的熱流脈動(dòng)頻譜圖中60 k Hz附近存在明顯尖峰脈沖,基本可以認(rèn)定該信號(hào)為干擾信號(hào)；壓力脈動(dòng)頻譜圖中相同頻帶也存在類似的干擾信號(hào)；但圖10和圖11流場(chǎng)1湍流條件下,相同頻帶的干擾信號(hào)不明顯(僅圖10中的壓力脈動(dòng)頻譜圖中有),可能是湍流邊界層的強(qiáng)烈脈動(dòng)把相關(guān)干擾信號(hào)淹沒(méi)了；流場(chǎng)建立前預(yù)采的數(shù)據(jù)中也存在60 k Hz附近的信號(hào)。

4 結(jié) 論

在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心?2 m 激波風(fēng)洞(FD-14A)中,采用PCB132高頻脈動(dòng)壓力傳感器和自研的ALTP高頻脈動(dòng)熱流傳感器,對(duì)尖錐模型表面高頻壓力脈動(dòng)和高頻熱流脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證自研的ALTP 熱流傳感器頻譜響應(yīng)性能,并對(duì)激波風(fēng)洞邊界層壓力脈動(dòng)和熱流脈動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比了研究。

1)ALTP傳感器獲得的脈動(dòng)熱流頻譜結(jié)果與PCB傳感器的脈動(dòng)壓力頻譜結(jié)果以及線性穩(wěn)定性理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,4只ALTP 傳感器測(cè)量的頻率變化規(guī)律符合其安裝位置關(guān)系,基本可以證明自研的ALTP 高頻脈動(dòng)熱流傳感器可用于高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩研究工作,下一步將改進(jìn)ALTP傳感器靈敏度系數(shù)標(biāo)定方式,獲得熱流脈動(dòng)幅值結(jié)果,從而獲得擾動(dòng)波放大因子。

2)高超聲速激波風(fēng)洞尖錐模型熱流脈動(dòng)特性表現(xiàn)出與壓力脈動(dòng)特性不一樣的特點(diǎn),湍流條件下壓力脈動(dòng)的各頻率能量分布比較均勻,而熱流脈動(dòng)隨頻率增大能量衰減比較明顯。

3)本次試驗(yàn)在馬赫數(shù)10、單位雷諾數(shù)2.4×10/m 流場(chǎng)條件下,發(fā)現(xiàn)熱流脈動(dòng)相對(duì)于壓力脈動(dòng)更早凸顯出來(lái),認(rèn)為這主要是由于風(fēng)洞背景擾動(dòng)以壓力脈動(dòng)為主、溫度或密度脈動(dòng)較弱,熱流脈動(dòng)信號(hào)相比壓力脈動(dòng)受到的背景擾動(dòng)干擾較小而更容易捕捉到模態(tài)信息；目前的線性穩(wěn)定性理論是基于每個(gè)物理量波動(dòng)參數(shù)均相等的前提假設(shè),因此理論分析不能區(qū)分實(shí)驗(yàn)中不同物理量的不同演化特征。

4)本次試驗(yàn)條件下,熱流和壓力脈動(dòng)在60 k Hz附近存在干擾信號(hào),可能是風(fēng)洞流場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的干擾信號(hào),這為該風(fēng)洞的后續(xù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)指明了需要避開(kāi)的陷阱。