Φ120高超聲速風(fēng)洞流場校測

榮 臻，胡文杰，邱云龍，張玉劍，王亦莊，江中正，陳偉芳

（浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，浙江杭州 310027）

0 引 言

高超聲速飛行器是我國航空航天領(lǐng)域的主戰(zhàn)裝備和重要研究領(lǐng)域，設(shè)計(jì)建設(shè)可滿足高超聲速復(fù)雜流動(dòng)控制機(jī)理研究和計(jì)算方法驗(yàn)證需求的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是推動(dòng)基礎(chǔ)原始創(chuàng)新、解決國家重大需求問題的重要舉措。常規(guī)高超聲速風(fēng)洞一般指模擬馬赫數(shù)范圍5～10、工作介質(zhì)為干燥純凈空氣且工作時(shí)間大于10 s的高超聲速風(fēng)洞，是研究與發(fā)展高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)及航天飛行器（如運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈武器及天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)等）的重要地面模擬設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)間長，氣流穩(wěn)定性好，測量方法和試驗(yàn)結(jié)果都比較可靠。隨著我國載人航天和高超聲速武器的迅猛發(fā)展，國內(nèi)建設(shè)了成系列成規(guī)模的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞群，主要布局在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心和中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，其他科研機(jī)構(gòu)和高校也陸續(xù)建成具有各自特色的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，見表1。

表1 國內(nèi)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞列表（部分）［6-9］Tab.1 Domestic conventional hypersonic wind tunnel（in part）

浙江大學(xué)120高超聲速風(fēng)洞建于2018年，是浙江省內(nèi)第一座高超聲速風(fēng)洞，主要承擔(dān)浙江大學(xué)高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，具備飛行器氣動(dòng)力測量、氣動(dòng)熱研究、表面壓力分布測量、流場顯示等教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究能力，可進(jìn)行飛行器氣動(dòng)力熱特性、湍流結(jié)構(gòu)及激波邊界干擾、氣動(dòng)光學(xué)以及稀薄氣體效應(yīng)等方面的科學(xué)研究，成為航空宇航學(xué)科發(fā)展的重要技術(shù)設(shè)備支撐。

1 高超聲速風(fēng)洞總體方案及主要的性能參數(shù)

1.1 總體方案

風(fēng)洞系統(tǒng)組成如圖1所示。該風(fēng)洞采用吹-吸氣方式運(yùn)行，通過更換噴管喉道實(shí)現(xiàn)各馬赫數(shù)運(yùn)行；采用蓄熱式電加熱器加熱氣體，提高來流總溫，以防止實(shí)驗(yàn)氣體在試驗(yàn)段冷凝?；緟?shù)指標(biāo)如下：馬赫數(shù)范圍5、6、7，軸對(duì)稱噴管，噴管出口直徑120 mm，總溫400～700 K，總壓范圍為0.2～2.0 MPa，風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間不少于10 s，具體主要部件參數(shù)如表2所示。風(fēng)洞主要部件包括穩(wěn)定段、Laval 噴管、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)壓段，其他組成部分還有空氣壓縮機(jī)、除油除塵器、儲(chǔ)氣罐、高壓管路、壓力表、各類閥門（調(diào)壓閥、截止閥、減壓閥、電磁閥、快速閥等）、加熱器、高壓軟管、收集器、真空閘閥、真空罐、真空泵和數(shù)采控制系統(tǒng)等。

表2 Φ120高超聲速風(fēng)洞性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of Φ120 hypersonic wind tunnel

圖1 Φ120高超聲速風(fēng)洞布局示意圖Fig.1 Sketch of Φ120 hypersonic wind tunnel layout

1）噴管設(shè)計(jì)

噴管采用六次Bézier 曲線進(jìn)行氣動(dòng)型面設(shè)計(jì)，即特征線法獲取無粘型面后，進(jìn)行邊界層修正獲得噴管物理型面。型面噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算假定：噴管內(nèi)流動(dòng)是理想流動(dòng)，然后修正氣體的粘性影響。通過反復(fù)計(jì)算，獲得噴管內(nèi)型面特征曲線，其中馬赫數(shù)5的噴管型面曲線及空間壓力分布圖如圖2（a）所示，噴管和實(shí)驗(yàn)段連接如圖2（b）所示。由于噴管質(zhì)量和體積不大，每次更換噴管選擇整體拆裝，壁面噴管部件連接處出現(xiàn)裝配誤差。

圖2 Φ120高超聲速風(fēng)洞噴管Fig.2 The nozzle of Φ120 hypersonic wind tunnel

2）穩(wěn)定段

穩(wěn)定段要求要合理選擇和布置消聲、消減湍流度組件，達(dá)到較高的流動(dòng)品質(zhì)，減少穩(wěn)定段前方由于管道和閥門引起的噪聲擾動(dòng)。根據(jù)常規(guī)高超聲速風(fēng)洞品質(zhì)的要求，穩(wěn)定段后流場總壓脈動(dòng)要求小于1%，速度脈動(dòng)值小于1%。穩(wěn)定段由擴(kuò)散段、中心錐、多孔吸音板、阻尼網(wǎng)、穩(wěn)定段體、壓力傳感器、溫度傳感器構(gòu)成。轉(zhuǎn)接段為大角度擴(kuò)散段，內(nèi)裝置孔錐，防止氣流分離，促進(jìn)氣流分布均勻和改善進(jìn)入穩(wěn)定段的來流品質(zhì)。穩(wěn)定段選擇后段截面設(shè)置安裝總溫傳感器、總壓傳感器、探頭等測量元件，用來測量穩(wěn)定段氣流參數(shù)、脈動(dòng)狀態(tài)及其衰減過程，如圖3所示。穩(wěn)定段要在固定時(shí)間內(nèi)清理阻尼網(wǎng)上沉積的來流雜質(zhì)，以保證良好的來流品質(zhì)。

圖3 穩(wěn)定段Fig.3 The stilling chamber

3）實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段是高超聲速風(fēng)洞系統(tǒng)的核心，所有設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是為成功實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。實(shí)驗(yàn)段采用自由邊界式實(shí)驗(yàn)艙，如圖4（a）所示，艙內(nèi)尺寸為長1 000 mm、寬600 mm、高650 mm。實(shí)驗(yàn)艙上方及兩側(cè)設(shè)有150 mm 光學(xué)觀察窗口，便于流動(dòng)顯示和應(yīng)用非接觸式測量技術(shù)。風(fēng)洞模型攻角機(jī)構(gòu)采用固定式和快速投放兩種方式，適用于常規(guī)測力測壓和測熱試驗(yàn)，模型支架機(jī)構(gòu)可手動(dòng)調(diào)整高度并實(shí)現(xiàn)軸向自動(dòng)移動(dòng)，角度機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)范圍分別為-15°～15°，如圖4（b）所示。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的總壓與總溫變化曲線如圖5所示，來流馬赫數(shù)為7，從圖5中可以看到該次運(yùn)行來流總壓為0.72 MPa，總溫為563 K，有效運(yùn)行時(shí)間約為12 s。

圖4 實(shí)驗(yàn)段及模型支架Fig.4 The test section and model support

圖5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)變化曲線Fig.5 The changes of experimental running parameters

2 高超聲速風(fēng)洞流場校測和標(biāo)模測力試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的流場特性是衡量風(fēng)洞性能的重要標(biāo)志，新建成的風(fēng)洞都需要開展流場校測，以分析風(fēng)洞實(shí)際流場參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該風(fēng)洞在安裝調(diào)試過程中開展了詳細(xì)速度場流場校測，經(jīng)計(jì)算得出了各截面的平均馬赫數(shù)、噴管的實(shí)際馬赫數(shù)和流場均勻區(qū)范圍。為了綜合評(píng)定風(fēng)洞的性能、方向場流場品質(zhì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和不確定度，采用AGARD HB-2標(biāo)模進(jìn)行了風(fēng)洞測力試驗(yàn)，并與國內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)洞的測力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 速度場校測

1）總壓排架

采用總壓一字型排架對(duì)噴管各截面馬赫數(shù)分布進(jìn)行測量。一字排架截面可垂直/水平置于風(fēng)洞試驗(yàn)段，安裝在風(fēng)洞移測機(jī)構(gòu)上，實(shí)驗(yàn)過程中為了提高試驗(yàn)效率排架可沿風(fēng)洞軸線移動(dòng)，移動(dòng)范圍為距噴管出口0～80 mm。一字排架上共設(shè)置23 個(gè)總壓測點(diǎn)，有效測量范圍為100 mm，總壓一字排架測點(diǎn)分布圖及風(fēng)洞內(nèi)安裝見圖6?？倝号偶芮岸松斐?3 根外徑1.2 mm/內(nèi)徑1 mm 的不銹鋼管，用于測量波后總壓，根據(jù)正激波關(guān)系式和來流總壓計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的流場馬赫數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

圖6 總壓耙結(jié)構(gòu)與安裝圖Fig.6 Structure and installation of the total pressure rake

式中：為波后總壓；P為來流總壓。

2）電子掃描閥和紋影儀

風(fēng)洞配套ESP-32HD 電子掃描閥系統(tǒng)進(jìn)行壓力測量。ESP 壓力掃描閥是由硅壓阻式壓力傳感器陣列組成的微型電子壓差測量單元，測壓量程為15 psi，采集通道數(shù)為32 路，采集頻率高達(dá)50 kHz，測量精度為±0.03%F.S.。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)采用WWY-150 紋影儀系統(tǒng)進(jìn)行流場顯示，紋影系統(tǒng)可視口徑為150 mm，典型紋影結(jié)果如圖7所示。壓力測量采集模塊與壓力掃描閥和PC 相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及傳輸功能。

圖7 總壓耙在Ma=5狀態(tài)下的紋影圖Fig.7 Schlieren figure of the total pressure rake at Ma=5

校測截面共設(shè)置5 個(gè)，在距噴管出口0～80 mm內(nèi)每間隔20 mm 設(shè)置一處。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型試驗(yàn)流場均勻區(qū)范圍、均勻區(qū)平均馬赫數(shù)、均勻區(qū)內(nèi)最大馬赫數(shù)偏差、均勻區(qū)馬赫數(shù)分布均方根偏差等。

流場校測結(jié)果如表3所示。流場校測結(jié)果顯示5.0/6.0/7.0 噴管的均勻區(qū)直徑超過90 mm，均勻區(qū)平均馬赫數(shù)分別為5.07、6.05和6.94，均方根偏差分別為0.018、0.015 和0.023，均勻區(qū)軸向馬赫數(shù)梯度分別為0.021、0.016 和0.031，上述關(guān)鍵指標(biāo)全部達(dá)到GJB1179A-2012 合格指標(biāo)，部分指標(biāo)達(dá)到GJB1179A-2012先進(jìn)指標(biāo)。

表3 流場測試主要結(jié)果Tab.3 Main results of flow field calibration

2.2 標(biāo)模測力試驗(yàn)

對(duì)于常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，通常采用AGARD HB-2標(biāo)模進(jìn)行風(fēng)洞綜合性能評(píng)定試驗(yàn)，綜合評(píng)定風(fēng)洞的流場品質(zhì)和數(shù)據(jù)測量采集處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠程度。

1） 標(biāo)模

AGARD HB-2 標(biāo)模是彈道式導(dǎo)彈布局的典型方案（鈍錐-柱-裙組合體），在高超聲速風(fēng)洞中的繞流流場具有代表性，本文選取AGARD HB-2 作為氣動(dòng)力測量的標(biāo)模，圖8展示了AGARD HB-2標(biāo)模的尺寸及其與測力天平的裝配方式。

圖8 AGARD HB-2測力模型結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.8 Structure of the AGARD HB-2 model（unit：mm）

2） 測力天平

測力天平為六分量桿式應(yīng)變天平，通過單支桿內(nèi)式天平尾撐與標(biāo)模連接，天平的直徑為10 mm，長度為90 mm。天平各分量的量程和測量精度如表4所示，其中，滾轉(zhuǎn)力矩M、偏航力矩M、俯仰力矩M、法向力、側(cè)向力采用單柱梁元件進(jìn)行測量，軸向力采用三片梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。

表4 天平各項(xiàng)的測量指標(biāo)Tab.4 Indices of the balance

3） 標(biāo)模測力試驗(yàn)內(nèi)容

標(biāo)模測力試驗(yàn)攻角范圍α=0、±2、±4（°），來流馬赫數(shù)為5，測試總溫約為420 K，測試總壓約為0.3～0.5 MPa。取7 次重復(fù)吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖9展示了=5 標(biāo)模試驗(yàn)的紋影照片，從圖中可以清晰地看到HB-2模型頭部和柱裙拐角處的激波結(jié)構(gòu)。

圖9 Ma=5時(shí)AGARD HB-2標(biāo)模紋影照片F(xiàn)ig.9 Schlieren photographs of AGARD HB-2 model at Ma=5.0

4） 標(biāo)模試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)模測力試驗(yàn)結(jié)果表明，AGARD HB-2 測力標(biāo)模的軸向力系數(shù)與法向力系數(shù)試驗(yàn)測量結(jié)果的重復(fù)性較好，軸向力系數(shù)7 次重復(fù)性測量的均方根偏差不超過0.009，法向力系數(shù)7 次重復(fù)性測量的均方根偏差不超過0.004。表5展示了本文試驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及GJB4399-2002 中HB-2測力結(jié)果參考值的對(duì)比結(jié)果。其中，數(shù)值計(jì)算采用的是本團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的大型空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件GRAND，該軟件的計(jì)算準(zhǔn)確性已在團(tuán)隊(duì)前期公開發(fā)表的成果中得到驗(yàn)證。如表5所示，AGARD HB-2 標(biāo)模在120 高超聲速風(fēng)洞中軸向力與法向力系數(shù)7 次測量結(jié)果的平均值與GRAND 程序計(jì)算結(jié)果以及GJB4399-2002 參考值吻合得較好。上述試驗(yàn)結(jié)果表明120 高超聲速風(fēng)洞在氣動(dòng)力測量方面具有較好的可重復(fù)性和準(zhǔn)確度，可滿足空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)試驗(yàn)、科學(xué)研究以及工程型號(hào)的氣動(dòng)力測試需求。

表5 軸向力與法向力系數(shù)測量結(jié)果與GRNAD數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及GJB4399-2002參考值的比較情況Tab.5 Comparison of axial force coefficient and normal force coefficient measurement results with numerical simulation results using GRAND and GJB4399-2002 reference results

4 結(jié) 論

1）120 高超聲速風(fēng)洞各系統(tǒng)調(diào)試正常，風(fēng)洞來流總溫、總壓、運(yùn)行時(shí)間等完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2）5.0/6.0/7.0 噴管的均勻區(qū)直徑超過90 mm，均勻區(qū)內(nèi)平均馬赫數(shù)分別為5.07、6.05和6.94，馬赫數(shù)均方根偏差分別為0.018、0.015 和0.023，軸向馬赫數(shù)梯度分別為0.021、0.016 和0.031。上述參數(shù)全部達(dá)到GJB1179A-2012 合格指標(biāo)，部分參數(shù)達(dá)到GJB1179A-2012先進(jìn)指標(biāo)。

3）AGARD HB-2 標(biāo)模測力結(jié)果與自研GRAND程序數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及GJB4399-2002 中HB-2 測力結(jié)果參考值吻合得較好，證明了該風(fēng)洞在氣動(dòng)力測量方面具備較好的可重復(fù)性和準(zhǔn)確度。

4）120 高超聲速風(fēng)洞參數(shù)范圍較寬，可用于高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)試驗(yàn)和高超聲速復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理、流動(dòng)控制降熱減阻機(jī)制等前沿科學(xué)問題研究。