低湍流度靜聲低速風(fēng)洞及氣動設(shè)計

榮 臻，鄭 耀

(浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

風(fēng)洞是航空航天領(lǐng)域極為重要的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)施，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對空氣動力學(xué)的發(fā)展和各種航空航天飛行器的研制起著決定性的作用[1]。為了深入開展均勻各向同性湍流、剪切湍流及層流轉(zhuǎn)捩等機(jī)理性的湍流實(shí)驗(yàn)研究, 發(fā)展新型流動控制技術(shù)及低阻翼型，以及深入研究湍流模型理論及驗(yàn)證新的氣動概念，需要設(shè)計建造低湍流度、低噪聲、氣流穩(wěn)定均勻的風(fēng)洞, 以消除外界擾動的影響, 保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。目前，從事流體穩(wěn)定性和湍流研究的專家都一致認(rèn)為湍流度小于0.08%的風(fēng)洞可稱為低湍流度風(fēng)洞[2]。國內(nèi)主要有西北工業(yè)大學(xué)的低湍流度風(fēng)洞[3]、上海大學(xué)的低湍流度風(fēng)洞SIAMM400[4]以及北京航空航天大學(xué)的D4低湍流度風(fēng)洞[5]。

低湍流度靜聲風(fēng)洞以新型飛行器研究為導(dǎo)向，以解決低速空氣動力學(xué)的難點(diǎn)問題和發(fā)展新型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)為目標(biāo)，立足于教學(xué)、科研和工程實(shí)踐，開展相關(guān)新概念、新方法、新技術(shù)的前瞻性和基礎(chǔ)性研究。該風(fēng)洞是一座低湍流度、低噪聲的半回流式低速風(fēng)洞，其進(jìn)排氣口均直通大氣。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為寬1.2 m×高1.2 m×長3.5 m，常用風(fēng)速范圍內(nèi)(30-50 m/s)湍流度ε=0.04%～0.05%，使用風(fēng)速范圍為15～75 m/s。該風(fēng)洞具備先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集能力，全面應(yīng)用非接觸式光學(xué)全流場測試系統(tǒng)，能夠開展模型靜動態(tài)氣動力測試，可實(shí)時、定量顯示模型表面和周圍繞流流場信息以及開展半實(shí)物數(shù)值模擬仿真。

1 低湍流度靜聲風(fēng)洞總體氣動設(shè)計及布局

1.1 風(fēng)洞總體設(shè)計指標(biāo)和要求

低湍流度靜聲風(fēng)洞的主要設(shè)計指標(biāo)：實(shí)驗(yàn)段使用風(fēng)速25～70 m/s，常用風(fēng)速范圍內(nèi)(30～50 m/s)模型區(qū)中心的湍流度0.04%～0.05%；在常用風(fēng)速下，任一動壓下重復(fù)7次，落差系數(shù)的均方根偏差不大于0.002；在模型區(qū)75%的橫向截面內(nèi)動壓場系數(shù)|μi|≤0.5%；在模型區(qū)75%橫截面內(nèi)，Δα< 0.5°，Δβ<0.5°；平均氣流偏角：Δα<0.2°，Δβ< 0.2°；在模型區(qū)靜壓梯度|dCp/dx|≤0.005；在常用風(fēng)速下，模型區(qū)中心處動壓穩(wěn)定性小于0.005。

常用風(fēng)速范圍內(nèi)(35～50 m/s)噪聲：模型區(qū)的噪聲≤65 dB；大廠進(jìn)出氣口外噪聲≤55 dB。

1.2 半回流式設(shè)計

常見的低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)型式為直流式風(fēng)洞和回流式風(fēng)洞兩種，其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[6]。受限于場地面積，同時要滿足可開展流動顯示實(shí)驗(yàn)的要求，低湍流度靜聲風(fēng)洞采用半回流式設(shè)計構(gòu)型，也稱為“馬蹄”型，風(fēng)洞進(jìn)排氣口將直接與大氣相通,如圖1所示。流動顯示及眾多非接觸式光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)，如粒子圖像測速實(shí)驗(yàn)(PIV)和多普勒測速實(shí)驗(yàn)(LDV)，都需要在流場中均勻布撒示蹤粒子。低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中常在氣流中加入霧化的食用油滴作為示蹤粒子，其散光性及流動跟隨性均可滿足相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求。相較于回流式風(fēng)洞，半回流式構(gòu)型風(fēng)洞進(jìn)排氣口與大氣相通，大量的油滴等排放物可直接排入大氣，不會污染甚至是堵塞風(fēng)洞洞體，尤其是阻尼網(wǎng)和蜂窩器，氣流品質(zhì)基本不受影響；但為了達(dá)到PIV或LDV測試區(qū)域布撒粒子濃度要求，必須要增大進(jìn)氣口粒子布撒流量。另外，半回流式風(fēng)洞的湍流度及噪聲較回流式風(fēng)洞會嚴(yán)重一些，對其相應(yīng)的氣動設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)。

表1 兩種形式風(fēng)洞的比較[6]

圖1 風(fēng)洞的3D示意圖

1.3 風(fēng)洞總體布局

圖2為低湍流度靜聲風(fēng)洞布置圖。風(fēng)洞由穩(wěn)定段(含蜂窩器和10層阻尼網(wǎng))、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、第1、第2擴(kuò)散段、第1拐角、第3擴(kuò)散段、第2拐角、動力段前過渡段、動力段、第4、第5擴(kuò)散段以及進(jìn)排氣口消聲裝置等部分組成，其中收縮段的收縮比為14.8，電動機(jī)功率為200 kW。實(shí)驗(yàn)段截面為正方形切角，實(shí)驗(yàn)段邊長為1.2 m，長3.5 m。風(fēng)洞總長為24.914 m，最大寬度為5.468 m，最大高度為5.468 m。

2 低湍流度靜聲風(fēng)洞各部件氣動設(shè)計

2.1 穩(wěn)定段

穩(wěn)定段的作用是為收縮段提供均勻來流的進(jìn)口條件，直接影響到實(shí)驗(yàn)段氣流品質(zhì)的好壞。由于風(fēng)洞選用半回流構(gòu)型，進(jìn)氣口直接通大氣，進(jìn)氣速度和方向不均勻，主流中還存在大尺寸旋渦，氣流品質(zhì)較為惡劣。為了降低湍流度并防止氣流在入口處分離，對穩(wěn)定段進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括進(jìn)氣口、截面、湍流衰減裝置的結(jié)構(gòu)與布局(蜂窩器和阻尼網(wǎng))以及長度等。蜂窩器和阻尼網(wǎng)的作用都是氣流均勻或降低湍流度。如圖3所示，穩(wěn)定段由收集器、蜂窩器、等直管道和10層阻尼網(wǎng)組成。其中，收集器位于穩(wěn)定段入口處，為保證氣流光滑無分離進(jìn)入穩(wěn)定段，其型面采用1/4圓弧，截面為切角正方形；之后安裝有正六邊形蜂窩器，其對邊距為10 mm，長為150 mm，長細(xì)比為15。研究結(jié)果表明[7]，該尺寸和長度的蜂窩器可以最大限度地衰減湍流；阻尼網(wǎng)設(shè)計為9.45目/cm(24目/吋)、絲徑為0.25 mm的阻尼網(wǎng)，即孔格1.058 mm×1.058 mm，層數(shù)為10層，為便于清洗維護(hù)，10層組尼網(wǎng)分為5組，兩層一組，層與層間隔150 mm；組與組間隔500 mm；等直管道長度為6.05 m，可起到靜流段的作用。

2.2 收縮段

收縮段主要是使來自穩(wěn)定段的氣流均勻加速，并改善實(shí)驗(yàn)段的流場品質(zhì)。收縮段的設(shè)計應(yīng)滿足如下要求：氣流流過收縮段時單調(diào)加速，避免氣流在洞壁發(fā)生分離；收縮段出口處氣流速度分布均勻, 方向需平直，并且穩(wěn)定。收縮段能否滿足這些要求，主要取決于兩個方面：收縮比和收縮曲線。在一定的實(shí)驗(yàn)段橫截面積和速度條件下，收縮比取得大一些，可使穩(wěn)定段的速度相對降低，使穩(wěn)定段、蜂窩器和阻尼網(wǎng)在提高流場品質(zhì)方面的效果相對好一些，而引起的氣流能量損失也相對小一些。常見的幾種收縮曲線包括維辛斯基曲線、雙三次曲線、五次方曲線和多軸維辛斯基曲線[8]。比較這幾種曲線可以知道，維辛斯基曲線進(jìn)口處收縮快，后部收縮緩慢，出口速度較均勻。但因進(jìn)口處收縮太快，會出現(xiàn)一個明顯的逆壓梯度。而雙三次曲線和五次方曲線進(jìn)口處收縮較平滑，無逆壓梯度現(xiàn)象的出現(xiàn),而且出口速度過沖比方面，雙三次曲線較五次方曲線較好，速度也較均勻。因此，收縮曲線選取常用的雙三次方收縮曲線，公式為：

1-進(jìn)氣百葉窗，2-進(jìn)氣防蟲網(wǎng)，3-進(jìn)氣消聲體，4-收集器，5-穩(wěn)定段，6-收縮段，7-試驗(yàn)段，8-第1擴(kuò)散段，9-第2擴(kuò)散段，10-第1拐角段，11-第3擴(kuò)散段，12-第2拐角段，13-過渡段，14-動力段，15-第4擴(kuò)散段，16-第5擴(kuò)散段，17-排氣消聲體，18-排氣防蟲網(wǎng)，19-排氣百葉窗組成

圖3 穩(wěn)定段的3D示意圖

圖4 收縮段的3D示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段是安裝模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的區(qū)域，是風(fēng)洞的重要組成部分。為了真實(shí)模擬原形模型流場狀態(tài)，遵循流動相似定律，實(shí)驗(yàn)段尺寸和氣流速度設(shè)計應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)Re要求。此外，實(shí)驗(yàn)段氣流應(yīng)穩(wěn)定且空間分布均勻，湍流度、噪聲強(qiáng)度、靜壓梯度應(yīng)較低。另外，實(shí)驗(yàn)段還需充分考慮安裝模型和有關(guān)設(shè)備的方便性。一般實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部沿軸向(順來流方向)有擴(kuò)散角，使橫截面積沿軸向逐漸增大，以減小由于壁面附面層沿軸向增厚而產(chǎn)生的負(fù)靜壓梯度的絕對值。實(shí)驗(yàn)段截面為方形切角，入口截面邊長1.2 m，長度為L=3.5 m。采用改變切角的方法對其進(jìn)行軸向靜壓梯度的修正，當(dāng)量擴(kuò)散角為0.23°，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)段位于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室二樓，兩側(cè)分別為控制間和光學(xué)測試設(shè)備間，如圖6、7所示。實(shí)驗(yàn)段左、右側(cè)面和頂面留有光學(xué)觀察窗口。左右側(cè)兩側(cè)壁各裝有一塊800×560 mm光學(xué)玻璃，可120°開閉。頂面為固定式窗口，有效觀察面積為500 mm×500 mm，方便布置光學(xué)測量設(shè)備。全部觀察窗玻璃均使用鋼化浮法玻璃。實(shí)驗(yàn)段下底面開有φ800 mm的圓孔，與風(fēng)洞角度機(jī)構(gòu)相聯(lián)。低湍流度靜聲風(fēng)洞角度機(jī)構(gòu)選用風(fēng)洞常用的串聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)組合形式，其中α、β機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動。α角度機(jī)構(gòu)采用半彎刀尾撐結(jié)構(gòu)，用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，帶動蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，利用彎刀上的導(dǎo)向裝置導(dǎo)向，使模型繞著轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)α角度的變化。β角度機(jī)構(gòu)通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，帶動小齒輪，使回轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)支撐與轉(zhuǎn)盤相連，隨轉(zhuǎn)盤做同步轉(zhuǎn)動，變α角度機(jī)構(gòu)坐落于變β角機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤上，從而實(shí)現(xiàn)模型變β角運(yùn)動。α角度機(jī)構(gòu)坐落于β角度機(jī)構(gòu)之上，兩個角度機(jī)構(gòu)共同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)模型姿態(tài)調(diào)整控制，如圖8所示。

圖7 光學(xué)測試間

圖8 風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)

2.4 動力段

動力段包括風(fēng)扇槳葉、整流罩、止旋片和電動機(jī)等，其結(jié)構(gòu)方案如圖9所示。整流罩采用鋼板焊接而成，分為前后兩部分：前整流罩用3片NACA0012對稱翼型的前掠支撐片支撐，前掠15°，等弦長500 mm，支撐片葉根后緣距槳葉葉根前緣距離600 mm。電動機(jī)安裝在后整流罩內(nèi)，電動機(jī)支座焊接在整流罩內(nèi)壁上。在后整流罩安裝電動機(jī)的位置，開設(shè)可拆裝的上蓋，并可預(yù)留檢修門。11個止旋片中6個作為電動機(jī)及整流罩的支撐，5個作為動力段后段與整流罩上蓋的支撐，并且在距止旋片1 680 mm處，增加3片NACA0012對稱翼型的支撐片支撐，等弦長160 mm。螺旋槳包括槳葉和槳轂，槳葉采用碳纖維制作，槳轂采用Q235，槳葉與槳轂精密裝配后做靜平衡。

圖9 風(fēng)洞動力段

2.5 風(fēng)洞能量比

風(fēng)洞能量比

(2)

式中，K0i為風(fēng)洞各部分的壓力損失系數(shù)。根據(jù)氣動計算結(jié)果可得，本風(fēng)洞的能量比為2.47。

2.6 所需電動機(jī)功率

風(fēng)洞所需的電動機(jī)功率為

(3)

式中：ERt為能量比，ERt= 2.47；η為風(fēng)扇效率，η=0.8；vt為實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速，vt= 70 m/s；Ft為實(shí)驗(yàn)段面積，F(xiàn)t= 1.356 m2。將以上數(shù)據(jù)代入式(3)中，即可得所需電動機(jī)功率N= 160 kW。取1.15倍裕量壓增進(jìn)行設(shè)計，風(fēng)洞系統(tǒng)選用200 kW的交流伺服電動機(jī)。

3 風(fēng)洞低湍流度設(shè)計及流場校測

低湍流度是該風(fēng)洞的主要特色之一，降低風(fēng)洞的湍流度要求風(fēng)洞有比較好的總體氣動設(shè)計，在風(fēng)洞管路中不產(chǎn)生明顯的氣流分離和比較大的橫向擾動。為實(shí)現(xiàn)極低湍流度性能，低湍流度靜聲風(fēng)洞主要采取了以下措施：選用性能良好的蜂窩器、損失系數(shù)適當(dāng)?shù)亩鄬幼枘峋W(wǎng)以及優(yōu)良的收縮段曲線。

3.1 穩(wěn)定段及其整流網(wǎng)格的設(shè)計匹配

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)分析統(tǒng)計[9]，一般來說，風(fēng)洞進(jìn)口附近自由流的湍流度大約為8%；若單獨(dú)用蜂窩器，其后湍流度降低不了多少；但經(jīng)過精心加工的蜂窩器并與一層精心選配的細(xì)絲徑網(wǎng)形成組件后則可使其后的湍流度降低到約5%。

為導(dǎo)順氣流、搗碎漩渦、減少湍流的橫側(cè)分量，減緩蜂窩器尾端的不穩(wěn)定性剪切所引起的湍流滋生，為該風(fēng)洞匹配長150 mm,對邊距為10 mm，壁厚0.1 mm的正六邊形蜂窩器。

統(tǒng)計資料表明[9]，在蜂窩器之后的湍流度約為5%，怎樣才能使湍流度達(dá)到目標(biāo)值，這里非常重要的,就是一定要仔細(xì)配合適規(guī)格的多層阻尼網(wǎng)：選擇10層單層損失為1.23的阻尼網(wǎng)，即孔格為1.058 mm×1.058 mm，絲徑為0.25 mm的阻尼網(wǎng)，此時開孔率為0.583，單層湍流衰減因子為0.670 4。

3.2 收縮段壁型

一座風(fēng)洞要真正達(dá)到好的流場品質(zhì)，特別是要達(dá)到先進(jìn)的低湍流度指標(biāo)，這就必須考慮不僅是要采用大收縮比的問題，還必須考慮采用適當(dāng)?shù)谋谛痛_保在收縮段內(nèi)不發(fā)生分離，并有很薄的邊界層厚度。這樣，在進(jìn)口和出口部分的壁型應(yīng)該變化緩慢，具有盡可能小的曲率。

對比現(xiàn)有的若干收縮段曲線設(shè)計方法，采用雙三次方關(guān)系收縮曲線。收縮比為14.87的收縮段的整體湍流衰減因子為0.183 45，本方案忽略靜流段作用。這樣，實(shí)驗(yàn)段氣流湍流度ε為：

ε=5%×0.670 410×0.183 45=0.016 8%

因此采取以上措施配合精細(xì)的施工，可以實(shí)現(xiàn)本風(fēng)洞低湍流度的指標(biāo)。

3.3 流場校測設(shè)備及方法

Initium壓力測量系統(tǒng)用于測量風(fēng)洞試驗(yàn)段的方向場和動壓場，本期校測采用閥塊量程為0.5 psid，精度0.1%，如圖10(a)所示。

在測量中使用到希特差壓傳感器，精度0.07%。

校測中用到5個五孔探頭，分別為1#、3#、5#、6#、8#五孔探頭，五孔探頭直徑12 mm，靜壓孔距前緣53 mm，長400 mm。探頭幾何尺寸全部一樣，直徑12 mm，如圖10(b)所示。

為滿足流場校測需要，加工了測量方向場和動壓場的測量耙以及測量軸向靜壓梯度的游測管，如圖10(c)所示。

湍流度測量使用丹迪恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀，該熱線風(fēng)速儀由熱線風(fēng)速儀測量模塊90C10、6模塊框架CTA 90N10、熱線(熱膜)探針、A/D轉(zhuǎn)換接口板、StreamWare數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件、控制計算機(jī)(PetiumIV，1G RAM)構(gòu)成(見圖10(d))。本次實(shí)驗(yàn)使用55P11型一維探頭測量試驗(yàn)段軸向瞬時速度，獲得試驗(yàn)段核心流來流方向湍流度。

(a)Initium壓力測量系統(tǒng)

(b)五孔探頭

(c)排管

(d)熱線風(fēng)速儀

3.4 調(diào)試結(jié)果

校測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)洞的主要性能參數(shù)滿足指標(biāo)要求，見表2。

表2 風(fēng)洞流場校測結(jié)果

4 風(fēng)洞低噪聲設(shè)計

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段噪聲主要有3種成因：風(fēng)機(jī)噪聲、風(fēng)洞管壁振動產(chǎn)生的噪聲以及氣流通過風(fēng)洞回路中的部件，如阻尼網(wǎng)等產(chǎn)生的噪聲[10]。該風(fēng)洞的聲學(xué)處理主要從以下3個方面展開：風(fēng)洞管壁外隔聲處理、風(fēng)洞管壁內(nèi)消聲處理以及減振處理。隔聲處理主要通過環(huán)繞實(shí)驗(yàn)段的消聲室，實(shí)現(xiàn)對外隔聲、對內(nèi)吸聲。風(fēng)源和風(fēng)洞主體之間用管道消聲器來衰減風(fēng)機(jī)驅(qū)動裝置的強(qiáng)噪聲，風(fēng)源選用低噪聲風(fēng)機(jī)。此外，風(fēng)洞設(shè)計加工需考慮流道壁面的光順性，以減小風(fēng)管再生氣動噪聲，采取一系列減振措施用于防止風(fēng)洞管壁振動產(chǎn)生輻射噪聲。

經(jīng)測試，常用風(fēng)速35～50 m/s下，實(shí)驗(yàn)大廳靠各監(jiān)測點(diǎn)噪聲均小于60 dB；在整個運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)，大廠進(jìn)出氣口外噪聲均小于55 dB。

5 結(jié) 語

低湍流度靜聲風(fēng)洞已通過驗(yàn)收并正式投入使用，其主要性能參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于國軍標(biāo)要求。該風(fēng)洞不僅滿足測力、測壓、流態(tài)演示等教學(xué)需要，還可開展無人機(jī)氣動、非定常流動控制以及仿生氣動研究等科學(xué)研究工作，將提高我校空氣動力學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用研究的水平。