低(變)湍流度風洞設計再探討

侯志勇,王連澤,周建和,何克敏

(1.裝備指揮技術學院航天裝備系,北京 101416;2.清華大學航天航空學院,北京 100084;3.天津大學,天津 300072;4.西北工業(yè)大學,西安 710072)

0 引 言

低(變)湍流度風洞是研究湍流結構、轉捩、邊界層控制、飛行器層流化等與湍流強度相關氣動現(xiàn)象的必要設備[1],其設計方法和要點在文獻[1-10]中都有討論。正如文獻[1]所述,自上世紀30年代末至今,國內外已建造約30座低湍流度風洞,雖各有特點,但皆以湍流度ε不高于0.05%并力爭達到0.02%(或更低)為首要目標。其中,有11座湍流度ε不高于0.03%;不大于0.02%者為數(shù)很少。1981和1984年,南京航空學院和北京大學先后建成了我國首批低湍流度風洞,ε低達0.08%～0.06%。此后約20年來(見表1),在國內已先后建成并投入使用的4座低(變)湍流度風洞皆具有優(yōu)良的流場品質(各項指標合格,且絕大多數(shù)指標達國軍標先進指標或較先進指標),其先進的(和較先進的)低湍流和變湍流性能已先后在教學和科研工作中發(fā)揮了不可替代的獨特優(yōu)勢。

為適應當今我國氣動攻關、大飛機、層流化、流動控制、低雷諾數(shù)、微流動等技術的發(fā)展,急需節(jié)能降耗、攻克與湍流相關的難題、解決流動實驗中的干擾影響,并因之需要發(fā)展高雷諾數(shù)及極低雷諾數(shù)下的低(變)湍流度氣動試驗設備,故作如下交流探討。

1 對減少湍流度起重要作用的收縮段設計有新的便捷方法

1.1 合理選用較大收縮比

在適當?shù)妮^大收縮比C范圍(C=6～20)內,選用符合工程實際的C值,不僅可減小能損,也可不同程度降低3個方向上相對湍流量值的水平,而C過大(C＞25)不僅成本高,且易引發(fā)低頻旋渦及影響各向同性[3-7]。按各向同性的假定[4,6],試驗段入口處的湍流強度εt可表示為

表1 成功研制的4座低(變)湍流度風洞Table 1 Four successfully constructed low(varying)turbulence wind tunnels

由(1)式得出湍流度減小收縮比作用系數(shù) fc～C曲線,見圖1。只有當假定收縮段入口處湍流度為εs=U′s/Us≤0.1%的某值時,C選用適當?shù)闹禃r才可得到所希望的試驗段入口處湍流度εt的理論預估值。當然,工程問題中考慮風洞下游擾動的上傳,εt理論預估值往往應設定得更小些。因此,表1中各風洞的C則是依所希望的εt值并結合各單位的經費、可用空間等綜合而定的。

圖1 收縮比C對湍流度減小的作用系數(shù) fc曲線Fig.1 The fccurve of the contraction ratio effect on reducing turbulence intensity

1.2 二次收縮并采用較大長徑比

以表1中裝備指揮技術學院先進流動控制實驗平臺為例,當綜合考慮取總的C為16.2時,經用(1)式估算,其收縮比作用系數(shù) fc約為0.1758,即絕大部分的收縮段入口湍流度已被衰減。為了在實現(xiàn)這一預期目標的同時,又保證各組變湍流格網既能增湍又能橫向均勻分布(變湍流格網不宜置放于穩(wěn)定段尾部及試驗段入口),還能在必要時做比1m×0.8m口徑空間更大的特殊試驗,則考慮采用二次收縮,使C=CⅠ×CⅡ=12.96×1.25=16.2,且為了避免分離,取第Ⅰ、Ⅱ收縮段的長度分別為入口當量直徑的1.286倍及0.98倍,又適當在兩段出口取平直延伸段,使出口氣流更均勻。

1.3 使用便捷的通用解求取五次方關系壁型

文獻[1]中所述西北工業(yè)大學的設計經驗及文獻[10]所述的實測結果表明,要達到好的流場品質,特別是達到較先進的低湍流度指標,不僅要合理選用較大收縮比,還必須考慮所用壁型能確保在收縮段出口氣流均勻、穩(wěn)定、不發(fā)生分離,并有很薄的邊界層厚度。這樣,在進口和出口部分的壁型應該變化緩慢,具有盡可能小的曲率。根據(jù)國內外技術交流中所獲得的收縮段大收縮比壁型設計的發(fā)展趨勢,西北工業(yè)大學在國內首次成功設計[1,10],天津大學、清華大學采用同樣壁型曲線效果很好,文獻[7,9]也推薦五次方關系曲線。工程實踐表明五次方關系曲線確為收縮段壁型設計的較簡便的有效方法,因此,裝備指揮技術學院在設計中仍采用五次方關系收縮段曲線方程

其中,X為軸向距離,R為軸向各橫切面當量半徑,a0,a1…a5為待定系數(shù)。

根據(jù)對收縮段入口處和出口處氣流連續(xù)緩慢變化、不發(fā)生分離的要求,其邊界條件為

在入口處

定義10 理想制造能力(MCI)指在企業(yè)一般的生產資料基礎上，沒有生產性約束條件下，所能達到的最大制造能力水平。

在出口處

如果每個風洞設計收縮段時都很繁瑣的通過具體的數(shù)據(jù)去解方程、簡化、定各個系數(shù),就仍然顯得不夠便捷。故在積累經驗的基礎上得出了(5)式所示的通用解

當量直徑

一旦收縮比C和出口處的當量直徑De2確定,就可很快得出收縮段壁型公式(6)和(7)。與之對應,圖2為裝備指揮技術學院實驗平臺得出的收縮段Ⅰ和Ⅱ的壁型曲線

圖2 收縮段Ⅰ和Ⅱ的壁型曲線Fig.2 The wall shape curves of the contraction sectionⅠandⅡ

2 對減小湍流度起決定作用的穩(wěn)定段設計得出有效的綜合曲線

文獻[1-2]已說明了這一決定作用,通過下述討論再次強調這一論點,并結合工程實踐給出一組實用有效的綜合曲線。

2.1 穩(wěn)定段前方環(huán)境來流的處理要因地制宜

前述諸文獻已強調過作為穩(wěn)定段的預備段,其前方來流需經過一個空間較大、上下左右基本對稱(最好挖低坑)、三面進氣(前、左、右)通暢、大面積窗應預設兩道網面(外層粗絲大孔網保護,內層細絲小孔網整流)的進氣室。西北工業(yè)大學低(變)湍流風洞的原型及目前的擴建型已證明這些措施是得當?shù)摹５陀^條件也有例外,天津大學因為空間緊張,只好把進氣口伸出墻外,但又在很開闊的條件下為免除陣風與污氣的影響,必須堅持預設多層網的整流措施,效果尚可,只是不如室內進氣室條件下更易保潔;又如裝備指揮技術學院的實驗平臺因進氣口正前方是極為重要的專業(yè)實驗室,不允許開任何前窗,則在明顯加大兩個對稱側窗的同時,有意使穩(wěn)定段進氣口遠離前方墻體1倍當量直徑略多,其校測結果尚佳。

2.2 匹配小孔型蜂窩器更有效

依文獻[1,3-4,7-9]分析,為了破碎旋渦,導順和拉勻氣流,減弱尖跳流動,且主要是減少湍流的橫側分量,傳統(tǒng)大孔徑蜂窩器對減少湍流度作用不大,本設備匹配航空鋁合金材料小孔型蜂窩器,孔型當量直徑為 8～10cm,孔深為 8～10倍孔型當量直徑(100mm),不宜太長,以免在蜂窩器尾部的不穩(wěn)定性產生復雜的剪切干擾。含天津大學和清華大學風洞在內,將這種高質量蜂窩材料應用于穩(wěn)定段整流,在國內尚屬第3例。另外,西北工業(yè)大學的近期風洞改造也用了這種匹配。

2.3 阻尼網組的匹配使用綜合速算圖線尚顯有效方便

阻尼網組的層數(shù)n應取決于穩(wěn)定段末尾預設的湍流度量級。由于阻尼網組的湍流減少系數(shù)fn=1/(1+k)n/2＜f1=1/(1+K)1/2,穩(wěn)定段末端的湍流度U′s/Us量級除了取決于蜂窩器和阻尼網組,還應留一定的旋渦衰減距離L衰＞0.2D安(D安為穩(wěn)定段出口處的當量直徑)。對于穩(wěn)定段末端的湍流度用公式U′s/Us=fn?U′h/Uh來估計 。

表1中4座風洞成功的工程實踐表明,在蜂窩器網組之后的湍流度Uh/Uh約為5%(有的回流式風洞約6%)。一般來說,試驗段的湍流度若要達到0.03%～0.01%,這種嚴格匹配的阻尼網層數(shù)就應在8～12層配置(且網間距離不宜太小,不小于500d)。

正如表1所示,4座風洞選用的收縮比C不同,其 fc大小不一,要使εt的預定值不致太高,就需設定好εs,于是反推所需的 fn(從而可決定所需的網面層數(shù)和規(guī)格)后,在市場選用合適的網面規(guī)格就是一個很實際的難題,故需多種應對方案,則圖3的綜合性速算曲線就顯得較為有效方便。

圖3 某風洞阻尼網組層數(shù)速算曲線Fig.3 The curve for fast calculating number of screens

3 試驗段下游的優(yōu)化設計

文獻[1]指出,試驗段的噪聲除與邊界層內壓力脈動有關外,主要來自通道內的軸向聲波,主要來自風扇。試驗段的湍流水平、流場品質除受到噪聲影響外,還要仔細避免下游各部段的分離、低頻不穩(wěn)定、各種擾動的上傳,故風扇動力段、導流片設計中有關具體問題要慎重選擇,作系統(tǒng)性優(yōu)化匹配。4座風洞在設計中做了以下嘗試：

(1)大實度風扇(10～12葉);

(2)解決好預扭片和反扭片,做好氣動設計和排除干擾;

(3)除一層細絲徑保護網外,在整流罩頭前方較遠處等截面通道內,還設置多層(2層)細絲徑整流消音網(d=0.2～0.5mm)。這些網皆應采用不銹鋼材質,大開度比β(不小于80%);

(4)電機所在的包容式整流罩尾部外輪廓與洞體內壁之間的通道沿軸向應采用3°～3.5°以內的半錐角,以免發(fā)生分離和干擾;

(5)從擴張段到動力段的尾部以及對于回流式風洞的二擴段和大端回流道,宜于開許多小孔群區(qū)域,可削弱聲波發(fā)射,并減弱旋渦的發(fā)展(孔徑為 Φ 1～Φ 2,小孔面積約占5%)。第Ⅱ收縮段及整個下游(擴張段、方圓段和風扇動力段)的洞壁皆為夾層結構,充填吸音材料;

(6)對于回流式風洞第4拐角導流片的尾部距蜂窩器的軸向距離不小于2～3倍導流片弦長,且導流片片距為12～15倍蜂窩器的孔型尺度;

(7)除了電機基座要隔震、動力段與擴張段之間要軟連接之外,宜于對直流可控硅調速系統(tǒng)設備建造屏蔽室。若采用變頻調速應處理好電磁干擾,以免影響測量湍流度的熱線風速儀的功效。

裝備指揮技術學院先進流動控制實驗平臺的大量流場校測詳細結果(此處僅舉例圖4和圖5)說明前述設計方法的確是有效而成功的。

圖4 采樣頻率 2kHz,風速 30m/s時,試驗段位置(927,-100)橫穿的湍流度分布Fig.4 he turbulence intensity distributing on the working section(927,-100)under the condition that the sampling frequency is 2kHz and wind speed is 30m/s

圖5 沿實驗平臺軸線湍流度的分布Fig.5 The turbulence intensity distributing along the working section axes in the wind tunnel

4 結束語

簡述成功研制的4座低(變)湍流度風洞的設計思想和幾點有新意的設計方法經過多次工程實踐和教學科研的長期考驗,表明其實用性和便捷性尚好,對同類設備尤其是高雷諾數(shù)和極低雷諾數(shù)的低(變)湍流度風洞有一定的參考價值。

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