高速風(fēng)洞擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器非定常流場數(shù)值模擬與試驗驗證

張穎，劉南

中國航空工業(yè)空氣動力研究院 高速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室，沈陽 110034

0 引 言

現(xiàn)代飛機，如軍用和民用運輸機、高空長航時無人機、遠(yuǎn)程轟炸機等，為了追求較高的氣動效率和較低的結(jié)構(gòu)重量，通常采用大展弦比機翼，在結(jié)構(gòu)材料上大量使用復(fù)合材料，具有較大的柔性，這使得飛機在跨聲速階段的陣風(fēng)問題凸顯。陣風(fēng)載荷，特別是垂直離散陣風(fēng)載荷，有可能成為飛行載荷中最嚴(yán)重的載荷。因此，準(zhǔn)確預(yù)測陣風(fēng)載荷并采取一定措施進行減緩控制通常是飛機設(shè)計階段的一項重要工作[1-5]。

陣風(fēng)風(fēng)洞試驗是進行飛行器陣風(fēng)響應(yīng)特性和陣風(fēng)載荷減緩控制技術(shù)研究的重要手段之一，而陣風(fēng)發(fā)生器是開展陣風(fēng)試驗的重要設(shè)施。在高速陣風(fēng)發(fā)生器的設(shè)計和研制方面，具有代表性的英國ARA 和美國NASA 均在其大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞上配備了陣風(fēng)發(fā)生器，如英國ARA TWT 風(fēng)洞的尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器[4]以及美國TDT 風(fēng)洞的擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器[5]。尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器無運動部件，無慣性載荷，控制精度高，可以產(chǎn)生頻率較寬和形式多樣的陣風(fēng)，但由于其尾緣射流通過大規(guī)模電磁閥進行控制，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)龐大，代價高，實現(xiàn)難度較大。擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)和控制形式相對簡單，代價較低，可以通過葉片的機械擺動在葉片下游產(chǎn)生正弦周期性變化的陣風(fēng)速度場。利用該陣風(fēng)發(fā)生器，TDT 風(fēng)洞針對多種型號飛機（如B-52E 飛機、C-5A 飛機、傳感器飛機以及超聲速民機等）開展了大量的陣風(fēng)響應(yīng)及減緩控制研究工作，為飛機設(shè)計過程中陣風(fēng)響應(yīng)和載荷減緩控制律設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)[5-10]。

國內(nèi)在陣風(fēng)試驗技術(shù)研究方面起步相對較晚，且大多數(shù)研究局限于低速領(lǐng)域[11-14]，大型高速風(fēng)洞沒有配備陣風(fēng)發(fā)生器，尚不具備陣風(fēng)試驗?zāi)芰?，而高速巡航階段的陣風(fēng)響應(yīng)對飛行安全影響極大，因此有必要開展高速風(fēng)洞陣風(fēng)試驗?zāi)芰ㄔO(shè)。

陣風(fēng)發(fā)生器作為陣風(fēng)試驗系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計難點主要在于：1）陣風(fēng)發(fā)生器形式選擇；2）陣風(fēng)發(fā)生器氣動設(shè)計。影響陣風(fēng)發(fā)生器氣動性能的參數(shù)眾多，如葉片截面形狀、弦長、展長、數(shù)量、間距等，需要進行多參數(shù)優(yōu)化迭代以使其性能達到最優(yōu)，同時還要兼顧葉片的剛、強度要求。本文在綜合考慮國外高速風(fēng)洞2 種常用形式陣風(fēng)發(fā)生器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用自研ENSMB 流場計算軟件對擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計方法進行了探索性研究。依托中國航空工業(yè)空氣動力研究院0.6 m 連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞（以下簡稱FL-61 風(fēng)洞）建立了一套擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器，并進行了陣風(fēng)流場校測試驗，分析了該陣風(fēng)發(fā)生器下游陣風(fēng)速度場形成機理及分布特性，重點開展了葉片擺動頻率和最大擺動幅值等參數(shù)對葉片下游陣風(fēng)速度幅值影響規(guī)律研究。

1 擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器

擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器采用單葉片等直機翼形式，葉片垂直安裝于風(fēng)洞噴管入口的上壁面（圖1）。葉片截面形狀為NACA0012 翼型，弦長0.2 m，展長0.2 m（圖2）。通過電機驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)帶動陣風(fēng)發(fā)生器葉片繞1/4 弦線做周期性正弦運動（圖3），進而在葉片下游產(chǎn)生正弦形式的周期性陣風(fēng)速度場。葉片能實現(xiàn)的擺動頻率f 和最大擺動幅值A(chǔ)max范圍分別為f=0～20 Hz，Amax=?20°～20°。數(shù)值計算模型包括風(fēng)洞收縮段、噴管段、試驗段以及陣風(fēng)發(fā)生器葉片，如圖4 所示。

圖1 陣風(fēng)發(fā)生器在風(fēng)洞中的安裝示意圖Fig. 1 Gust generator mounted in the tunnel

圖2 陣風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of gust generator

圖3 陣風(fēng)發(fā)生器驅(qū)動機構(gòu)示意圖Fig. 3 Driven mechanism of gust generator

圖4 計算模型Fig. 4 Computational model

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計算網(wǎng)格

計算采用結(jié)構(gòu)化N–S 網(wǎng)格進行，網(wǎng)格單元總數(shù)約407 萬，節(jié)點總數(shù)約412 萬。葉片周圍邊界層第一層網(wǎng)格高度為葉片弦長的十萬分之一。為了更好地捕捉葉片后方陣風(fēng)場，對葉片后方重點關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格沿流向進行了局部加密，如圖5 所示。圖中：x 軸沿氣流方向，向后為正；y 軸沿葉片展長方向，向上為正；z 軸符合右手坐標(biāo)系定則；坐標(biāo)原點為噴管入口端的風(fēng)洞中心點。

圖5 計算網(wǎng)格Fig. 5 Computational grid

2.2 計算方法

本文采用中國航空工業(yè)空氣動力研究院自研的ENSMB 流場計算軟件[15-16]求解三維可壓縮非定常N–S 方程，湍流模型選用k–ωSST 模型，空間方向采用二階迎風(fēng)格式進行離散，時間方向采用雙時間方法進行離散，時間步長的選取與葉片擺動頻率相關(guān)，一個周期T 內(nèi)進行1000 次外迭代，計算總時長為5 個周期。

圖6 為來流馬赫數(shù)Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°工況下，采用不同內(nèi)迭代步計算得到的陣風(fēng)速度特性對比。圖中t 為計算時間，v 為陣風(fēng)速度，I 為內(nèi)迭代步，vgust為陣風(fēng)速度幅值。陣風(fēng)速度幅值vgust的定義如下：

圖6 不同內(nèi)迭代步下陣風(fēng)速度特性對比Fig. 6 Comparison of gust velocity characteristics with different iteration steps

式中，vmax和vmin分別為一個周期內(nèi)陣風(fēng)速度的峰值和谷值。從圖中可以看出，在時間步長保持一致的條件下，不同內(nèi)迭代步計算得到的陣風(fēng)速度幅值幾乎無差異?？紤]計算效率問題，本文的內(nèi)迭代步設(shè)置為10 步。

計算時的邊界條件設(shè)置如下：風(fēng)洞入口設(shè)置為總溫總壓邊界條件；風(fēng)洞出口設(shè)置為壓力出口邊界條件；風(fēng)洞壁面和陣風(fēng)發(fā)生器葉片均設(shè)置為黏性無滑移壁面。陣風(fēng)發(fā)生器葉片繞1/4 弦線位置按正弦規(guī)律做周期性運動，其方程為：

式中，A（t）為葉片的瞬態(tài)擺角。

葉片的運動通過動網(wǎng)格方式實現(xiàn)，為了提高網(wǎng)格的變形效率和質(zhì)量，采用Radial Basis Function（RBF）和Linear Transfinite Interpolation （TFI）混合方式進行。

3 結(jié)果及分析

本文重點開展了葉片擺動頻率和最大擺動幅值對葉片下游陣風(fēng)速度幅值的影響規(guī)律研究，并與試驗結(jié)果進行了對比分析。計算狀態(tài)設(shè)置為Ma=0.5，Amax=2°～18°，f=2～20 Hz。

為便于分析葉片后方陣風(fēng)場，在葉片后方選取124 個監(jiān)測點（沿x 軸布置4 列，沿y 軸布置31 行），具體位置如圖7 所示。監(jiān)測點的x 軸坐標(biāo)分別為x=2.75 、3.55 、4.25 、4.75 m，監(jiān)測點的y 軸坐標(biāo)位于–0.30～0.30 m 之間，間隔0.02 m。監(jiān)測點編號記為Pij，下標(biāo)i 為監(jiān)測點所處的列號，下標(biāo)j 為監(jiān)測點所處的行號。為與試驗進行對比，本文僅對圖7 中第二列（x=3.55 m）監(jiān)測點位置處的陣風(fēng)速度特性進行分析。

圖7 監(jiān)測點示意圖Fig. 7 Monitor point

3.1 陣風(fēng)速度特性分析

對Ma=0.5，f=4 Hz，Amax=6°典型工況進行分析。圖8 給出了該工況一個周期內(nèi)垂直方向的陣風(fēng)速度云圖。圖9 給出了該工況葉片下游陣風(fēng)速度特性曲線。圖9（a）為葉片下游某一監(jiān)測點（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風(fēng)速度的時間歷程曲線。圖9（b）為陣風(fēng)速度幅值沿葉片展向分布曲線，其中虛線為葉片所在位置。從圖9 中可以看出，葉片的周期性正弦擺動使得在其下游產(chǎn)生正弦周期性變化陣風(fēng)速度場，陣風(fēng)速度場頻率與葉片擺動頻率一致。結(jié)合圖8 可以看出，葉片尾渦是葉片下游陣風(fēng)速度產(chǎn)生的原因之一，陣風(fēng)速度幅值沿葉片展長方向存在較大波動。圖9（c）為不同流向位置陣風(fēng)速度幅值對比，從圖中可以看出，隨著x 的增大，陣風(fēng)速度幅值呈減小趨勢。

圖8 一個周期內(nèi)陣風(fēng)速度云圖Fig. 8 Contours of computed amplitude of vertical gust velocity

圖9 陣風(fēng)速度特性曲線Fig. 9 Characteristics of gust field

3.2 參數(shù)影響分析

圖10 給出了Ma=0.5 時，葉片下游某一監(jiān)測點（x=3.55 m，y=0 m，z=0 m）處陣風(fēng)速度幅值與葉片擺動頻率和最大擺動幅值的關(guān)系曲線。從圖10（a）中可以看出，同一葉片擺動頻率（f=4 Hz）下，陣風(fēng)速度幅值隨葉片最大擺動幅值的增大呈先增大然后基本不變的趨勢，當(dāng)Amax=10°時（即葉片失速迎角附近），陣風(fēng)速度幅值達到最大，10°之后陣風(fēng)速度幅值基本保持不變，這可能是葉片最大擺動幅值增大時葉片失速所致。從圖10（b）和（c）中可以看出，同一葉片最大擺動幅值（Amax=6°）下，葉片擺動頻率改變導(dǎo)致葉片下游陣風(fēng)速度頻率改變，而陣風(fēng)速度幅值隨葉片擺動頻率變化很微弱，呈略微減小趨勢，擺動頻率f 從2 Hz 增大至20 Hz，陣風(fēng)速度幅值僅減小3%左右。

圖10 不同擺動頻率和最大擺動幅值下的陣風(fēng)速度特性曲線Fig. 10 Characteristics of gust field under different oscillating frequency and maximum oscillating amplitude

3.3 計算與試驗對比分析

利用該陣風(fēng)發(fā)生器，在FL-61 風(fēng)洞進行了陣風(fēng)流場校測試驗，通過熱線叉絲探頭對葉片下游中心點處（x=3.55 m）的流場進行了測量。

圖11 給 出 了Ma=0.5，Amax分 別 為6°和10°、f 分別為2 和4 Hz 這4 種工況下，計算和試驗所得的陣風(fēng)速度時間歷程曲線對比。從圖中可以看出，計算和試驗結(jié)果規(guī)律一致，吻合較好，試驗測得陣風(fēng)速度幅值略微偏大。

圖11 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig. 11 Comparisons of calculated gust velocity with experimental data

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對FL-61 風(fēng)洞擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器陣風(fēng)速度特性進行了研究，并在風(fēng)洞中開展了陣風(fēng)流場校測驗證試驗，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，主要結(jié)論如下：

1）本文的擺動葉片式陣風(fēng)發(fā)生器能夠在葉片下游產(chǎn)生周期性變化的陣風(fēng)場，葉片擺動頻率范圍為0～20 Hz。

2）葉片最大擺動幅值是影響陣風(fēng)速度幅值的一個主要因素。隨著葉片最大擺動幅值的增大，陣風(fēng)速度幅值呈先增大趨勢，在葉片失速迎角附近（即最大擺動幅值為10°時）陣風(fēng)速度幅值達到最大，之后無明顯變化。

3）葉片擺動頻率僅影響葉片下游陣風(fēng)速度頻率，對陣風(fēng)速度幅值的影響較為微弱，呈略微減小趨勢，葉片擺動頻率從2 Hz 增大至20 Hz，陣風(fēng)速度幅值減小僅3%左右。

綜上所述，本文所設(shè)計的陣風(fēng)發(fā)生器可以在葉片下游產(chǎn)生較為理想的陣風(fēng)場，陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計合理。后續(xù)將進行更多來流馬赫數(shù)、葉片擺動頻率和最大擺動幅值下的陣風(fēng)速度特性研究。