利用M1.4噴管和開孔壁試驗段實現低超聲速流場實驗研究

劉 琴 ,陳志強 ,申 江,符 澄,王海峰

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

飛行器在跨聲速范圍(M=0.8～1.4)飛行時,其氣動特性十分復雜,對試驗模擬參數(如Ma數,Re數)和試驗條件都十分敏感,2.4m×2.4m跨聲速風洞作為中國唯一的2m量級的大型地面模擬試驗設備,其試驗馬赫數范圍為M=0.3～1.2,不具備低超聲速的試驗能力,無法滿足飛行器在研制過程中對該速度范圍的試驗需求,嚴重制約了2.4m×2.4m風洞在飛行器研制中的作用發揮,因此,非常有必要拓展2.4m×2.4m風洞試驗馬赫數范圍,使其具備M1.4的低超聲速試驗能力,以滿足未來先進飛行器跨、超聲速氣動特性精細化試驗與分析的需求。

根據2.4m×2.4m風洞結構狀態,考慮通過新增設M1.4噴管與現有的開孔壁試驗段配套使用的方式來實現低超聲速流場。目前,國內在該方面尚未進行過較為系統的實驗研究工作,因此,為了研究M1.4噴管和開孔壁試驗段組合狀態下能否實現低超聲速流場、所建立的低超聲速流場品質能否滿足試驗需求,以及風洞的開車參數和洞體條件對流場的影響等內容,在2.4m×2.4m風洞的引導風洞(FL-26y)上開展了相關的實驗研究工作。該項實驗研究不僅為2.4m×2.4m風洞增設M1.4噴管使其具備M1.4的低超聲速試驗能力提供了技術支持,同時也為該風洞在下一階段正式開展M1.4流場調試提供了可供參考的調試參數。

1 實驗設備及實驗方法

1.1 實驗設備

FL-26y是一座由多噴嘴引射器驅動的、回流式的跨聲速風洞,是2.4m×2.4m引射式跨聲速風洞按1/10縮比建造的模型風洞。風洞試驗段截面尺寸為0.24m×0.2m,長0.675m,試驗馬赫數范圍為M=0.3～1.2(M1.4、M1.8)。該風洞的設計為“積木式”的,其試驗段、支架段、柵指二喉道段、第一拐角段、排氣段、主引射器和混合室、第三拐角段、消聲器、第四拐角段、穩定段和噴管段均為可拆卸部段,以便方便地安裝各種實驗件。風洞氣動輪廓圖見圖1。

圖1 FL-26y風洞Fig.1 FL-26y wind tunnel

該風洞試驗段配置有一套實壁板和兩套孔壁板(壁板A和壁板B),通過壁板的更換,風洞試驗段可以是四壁開孔試驗段、上下壁為孔壁左右壁為實壁或四壁均為實壁等不同開孔率的試驗段。壁板A為60°的斜孔壁,孔徑為 3mm,上下壁開斜孔率為4.1%。左右孔壁上設置有長270mm寬120mm的長圓孔觀察窗,其中一側壁還設有100mm的轉窗,左右側壁開孔率為1.8%,見圖2(a)。壁板B為60°的斜孔壁和槽壁組合壁板,斜孔孔徑為3mm,上下壁開孔率為7.5%。左右側壁的開孔率為4.3%孔壁+12%的槽壁,見圖2(b)。

風洞試驗段左右壁平行,上下壁角度可調,調節范圍為-0.5°～+1°。模型支架段上下及左右壁板均可調節,在試驗段出口構成試驗段主流引射縫氣流通道形成主流引射方式。上下調節縫的最大開度可以調到 24mm,左右調節縫的最大開度可以調到40mm。

實驗所使用的主要測試儀器為PSI公司的9116型壓力掃描閥,量程±1.5×105Pa,精度0.05%。

圖2 開孔壁板實物照片Fig.2 Photo of perforated wall

1.2 實驗方法

利用新設計加工的M1.4噴管的實驗件,在固定風洞主引射器參數、柵指位置、主排氣閥和輔排氣閥開度的情況下,通過調節穩定段總壓p0、輔引集氣室壓力 p′0(即駐室抽氣量)等開車參數和擴開角 α、主流引射縫開度h、開孔壁開孔率等洞體條件,測量試驗段軸向馬赫數分布,計算出試驗段模型區(距試驗段入口195～495mm)的馬赫數均方根偏差σM,得出不同參數對試驗段流場的影響規律,驗證所得到的低超聲速流場能否滿足實驗需求,并找出M1.4時試驗段流場最優狀態下的開車參數和洞體條件。

2 實驗結果與分析

在風洞洞體條件為：主引射器面積比為0.055、引射馬赫數為2.0、噴嘴數量8個;柵指零位;主排氣閥全開;輔排氣閥全開,試驗段壁板為壁板A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%);主流引射縫開度為25mm;擴開角為0°時,在穩定段總壓分別為 p0=1.3×105Pa、1.4×105Pa、1.5×105Pa、1.6×105Pa,輔引集 氣 室 壓 力分別為 p′0=0Pa、6.9 ×105Pa、8.2 ×105Pa、9.6 ×105Pa、10.6 ×105Pa、11.5×105Pa(所對應的駐室抽氣量分別為0.5%、0.8%、1.7%、2.8%和3.5%)的各種組合情況下測量了駐室參考點馬赫數,測量結果見表1。

根據測量結果可以看出在穩定段總壓為1.5×105Pa,輔引集氣室壓力大于10.6×105Pa時,或穩定段總壓為1.6×105Pa,輔引集氣室壓力大于8.2×105Pa時,試驗段才能得到M1.4的低超聲速流場。

表1 不同開車參數下駐室參考點馬赫數Table 1 Mach number in the plenum chamber of different operation parameters

2.1 開車參數研究實驗

圖3為穩定段總壓為 1.5×105Pa和 1.6×105Pa時,不同駐室抽氣量下試驗段軸向馬赫數分布曲線。

圖3 不同駐室抽氣量下試驗段軸向馬赫數分布曲線Fig.3 Axial Mach number distribution curves for different evacuation flow from the plenum chamber

從以上實驗結果可以看出,在洞體條件相同的情況下,試驗段流場均勻性是由穩定段總壓和駐室抽氣量共同影響的,兩者需協調組合才能得到最佳的流場。在相同穩定段總壓下,隨著駐室抽氣量增加,試驗段流場品質會有所改善。比較穩定段總壓為1.5×105Pa和1.6×105Pa兩種情況下的流場,可見其最佳流場的馬赫數均方根偏差相差不大,但是穩定段總壓為1.6×105Pa時,風洞的耗氣量要大很多,因此,綜合考慮各方面因素還是穩定段總壓為1.5×105Pa時開車參數最優。

2.2 洞體條件研究實驗

圖4為不同擴開角時試驗段軸向馬赫數的對比曲線。可以得出：不同的擴開角對試驗段流場均勻性有一定的影響。在風洞運行方式為主流引射+駐室抽氣方式時,試驗段的擴開角越小流場的均勻性越好。在本實驗中擴開角為0°時試驗段流場優于擴開角+0.3°和+0.5°時的試驗段流場。

圖5為不同引射縫開度時試驗段軸向馬赫數的對比曲線。由圖可以得出：隨著引射縫開度的增大,試驗段流場的均勻性改變不大。在主流引射縫開度為0、14和25mm時,試驗段馬赫數均方根偏差變化很小,可見在試驗段有駐室抽氣的情況下,主流引射縫開度對試驗段流場均勻性的影響是很小的。

圖4 不同擴開角時試驗段軸向馬赫數對比曲線Fig.4 Axial Mach number distribution curves for different diffuser angle in the test section

圖5 不同引射縫開度時試驗段軸向馬赫數對比曲線Fig.5 Axial Mach number distribution curves for different open width of the mainstream ejected slot

圖6為不同壁板開孔率時試驗段軸向馬赫數的對比曲線。由實驗結果可以看出：在試驗段上下壁為貼一半孔的壁板B(壁開孔率3.75%),左右壁為實壁時,試驗段馬赫數均方根偏差為0.0179;在試驗段采用壁板 A(上下壁開孔率4.1%,左右壁開孔率1.8%)時,試驗段馬赫數均方根偏差為0.0072;在試驗段上下壁為壁板B(壁開孔率7.5%),左右壁為實壁時,試驗段馬赫數均方根偏差為0.0171。可見,不同壁板開孔率對試驗段流場的均勻性影響比較明顯,根據現有條件可以得出試驗段壁板的開孔率太小或太大都會給試驗段流場帶來不好的影響,使流場的均勻性變差。

圖6 不同壁板開孔率時試驗段軸向馬赫數對比曲線Fig.6 Axial Mach number distribution curves for different porosity in the perforated wall

表2匯總了在穩定段總壓p0=1.5×105Pa,輔引集氣室壓力p′0=11.5×105Pa的開車參數時不同洞體條件下的實驗結果,由表中數據可見,在各種組合情況下,擴開角為0°,主流引射縫開度為25mm,試驗段壁板為壁板A時,所建立的 M=1.4的流場最優,其馬赫數均方根偏差σM=0.0072,能夠滿足國軍標合格指標的要求。

表2 不同組合參數下實驗結果Table 2 Experimental results of different combined parameters

3 結 論

由實驗結果可以得出以下幾點結論：

(1)通過M1.4噴管和開孔壁試驗段組合,建立起M1.4的低超聲速流場,且流場品質能夠滿足國軍標合格指標的要求;

(2)駐室抽氣量對試驗段流場均勻性有一定的影響,在穩定段總壓相同的情況下,隨著駐室抽氣量的增加試驗段流場會有所改善;

(3)擴開角對試驗段流場均勻性有較為明顯的影響,在風洞運行方式為“主流引射+駐室抽氣”方式時,試驗段的擴開角越小流場的均勻性越好;

(4)主流引射縫開度對試驗段流場影響較小;

(5)試驗段壁板的開孔率對試驗段流場的均勻性影響較大,選擇適當的壁板開孔率可以改善試驗段流場的均勻性。

[1] 劉琴,符澄,王海峰.FL-26y風洞M1.4噴管引導性實驗研究報告[R].中國空氣動力研究與發展氣動中心設備設計及測試技術研究所科技報告,2010.

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