翼型動態實驗中脈動壓力信號處理方法研究

梁撐剛，張 琳，劉華偉

(西安愛生技術集團公司，西安 710068)

0 引言

邊界層轉捩對提高飛行器性能具有重要的意義。研究認為流動在轉捩過程中，某些參量會發生劇烈的變化或出現峰值，并以此來定義“轉捩區”[1-3]。Huang[4]、Barrett[5]、Molin[6]等先后對靜態實驗邊界層轉捩進行研究，并得到結論認為模型表面的脈動壓力均方根值在邊界層轉捩過程中會出現峰值。

文中對翼型動態實驗中流動表面邊界層內脈動壓力進行測量及特征分析，并基于脈動壓力均方根值的轉捩判定方法，將脈動壓力判定轉捩的方法有效的從翼型靜態實驗延伸到翼型動態實驗中去。

1 實驗模型與設備

實驗是在西北工業大學翼型中心NF-3低速風洞二元實驗段完成的。實驗所用的某翼型模型為鋼木結構，安裝在風洞二元實驗段，弦長600 mm，展長1 600 mm，相對厚度9%。翼型上下表面各有15個測壓孔，對應30個動態壓力傳感器從測壓孔引出到風洞外，其編號分別計為1#，2#，3#，…，30#。實驗段還安裝熱線風速儀和鼻錐以精確捕捉風洞實驗段的速度場和壓力場品質。

圖1 翼型模型風洞安裝圖

圖2 翼型擺動示意圖

采用自然轉捩，風速30 m/s，翼型由被置于風洞頂部的傳動機構帶動做振幅10°范圍內的擺動，擺動迎角α=0±10sin(wt)，α范圍為-10°～10°，振蕩頻率f分別為0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，動態采樣率500 Hz，對應于上述4個頻率下的采樣時間分別為1 280 s，1 280 s，1 024 s，1 024 s，截止頻率均為20 kHz。

另外，為驗證及對比分析進行了靜態實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗數據驗證

對靜態實驗結果進行脈動壓力均方根值的轉捩判定，結果如圖3所示。

圖3 靜態實驗脈動壓力RMS值

可以看出，各迎角下流動依次經歷層流、轉捩區、湍流3個流態。以3°迎角為例：

1)1～6號傳感器RMS值較小，流動處于層流狀態；

2)7號傳感器處，RMS值達到巔峰，流動處于轉捩區；

3)7號傳感器以后，RMS值又開始減小，流動由轉捩轉變為湍流區。

此外，0°，1°，2°時曲線峰值在8號測壓點X=180 mm處，3°時前移到7號測壓點X=120 mm處，4°時再前移到6號傳感器X=75 mm處，符合隨迎角增大轉捩點前移的特征，靜態實驗結果能很好判定轉捩，說明本次實驗設備正常，數據準確有效。

2.2 動態轉捩判定

動態實驗采集的原始數據見表1。

表1 原始實驗數據表

考慮實際擺動中遲滯效應及慣性的影響，對原始數據進行如下處理：

1)對振幅(即迎角)去直流。第4列每一個數減去其平均值作為新的第4列，這樣迎角就被限定在理論的±10°范圍內。

2)傳動機構擺動過程分為上仰段和下俯段，分別提取0°～4°下對應于每個角度的上仰段和下俯段單獨處理分析。

2.2.1 動態與靜態RMS對比分析

各迎角下的動態實驗脈動壓力均方根值與靜態進行對比分析(以a=0°為例進行說明)，結果如圖4～圖5所示。

圖4 上仰段動靜態RMS值對比圖

圖5 下俯段動靜態RMS值對比圖

可以看到，無論是上仰段還是下俯段，動態實驗中各頻率下的RMS值均大于靜態，各個頻率下均出現峰值，且不止一個，3個峰值對應測壓點位置分別在X=120 mm，420 mm，565 mm處，所以轉捩位置尚不能立即確定。理論上，轉捩位置不可能像后兩個峰值那么靠后，轉捩的位置只能出現在第一個峰值處，后面兩個峰值很可能是流動分離導致的。為了驗證此推斷，對各頻率下3處峰值處脈動壓力做自相關函數分析，結果如圖6所示(以f=1 Hz為例進行說明)。

圖6 峰值自相關函數圖

可以看出，自相關函數的波峰(最大峰值)出現在時間延遲為0時的藍色線條代表的RMS值第一峰值處，波谷(最小峰值)同樣地出現在藍色線條代表的RMS值第一峰值位置處，即第一峰值處的RMS值具有最大波峰和最小波谷的特性，這與靜態實驗中轉捩點的特性吻合。因此，以上對于動態實驗中認定第一峰值點即為轉捩點的推斷是正確的。

另外，圖上可以看到，動態實驗中上、下行程所有頻率下第一峰值位置均出現在7號傳感器X=120 mm處，轉捩點位置表現出與擺動頻率無關的特性。同時，相較于靜態實驗的轉捩點位置X=180 mm前移，說明翼型動態實驗的轉捩位置相對于靜態有所提前。

轉捩點處的自相關波峰最大是由于轉捩過程中，表面脈動壓力的脈動情況非常激烈，加上轉捩時間短、區間窄，信號間的特性比較相似，均為轉捩時的特性，因此相關度很高，其自相關函數自然最大，即具有最大波峰；而對于轉捩點處為何自相關波谷最低，其中的機理及其系統認識尚不清楚，因此，自相關函數和轉捩關系的探究問題仍需進一步研究。

2.2.2 不同迎角動態RMS分析

對各頻率下不同迎角的動態RMS進行對比分析(以f=1 Hz為例進行說明)，結果如圖7～圖8所示。

圖7 上仰段不同迎角RMS值對比圖

圖8 下俯段不同迎角RMS值對比圖

可以看出，無論上仰、下俯行程，各迎角下脈動壓力均方根值均出現3個峰值，轉捩位置(第一峰值)隨迎角增大均出現前移現象，第二、三峰值位置隨迎角增大無任何改變。

圖7 可以清楚看出轉捩位置隨迎角增大向前移動的特征。迎角α=0°，1°，2°下轉捩位置出現在7號傳感器X=120 mm處；α=3°時轉捩位置稍有前移，大約在X=110 mm左右；α=4°時，轉捩位置明顯前移到6號傳感器X=75 mm處。

圖8下俯段的結果細節稍微有別于上仰段，但隨迎角的增大，轉捩位置同樣出現前移。具體的，α=0°，1°，2°，3°都均在7號傳感器X=120 mm處；α=4°時，轉捩位置前移到6號傳感器X=75 mm處。

因此，無論上仰、下俯段，均出現了轉捩位置隨迎角增大而前移的特征，符合轉捩規律，說明靜態實驗中基于脈動壓力均方根值判定轉捩的方法同樣適用于翼型動態實驗，同時再一次印證翼型動態實驗中的RMS第一峰值即為轉捩點的論述是正確的。

2.2.3 上下行程RMS對比分析

對各頻率下，不同迎角的上下行程的RMS進行對比分析(以f=1 Hz，a=2°為例進行說明)結果如圖9所示。

圖9 上下行程RMS對比圖

可以看到，上下行程的脈動壓力RMS值變化趨勢完全相同，3個峰值均出現在相同位置。在第一峰值之前位置處，RMS值表現為上仰段大于下俯段，之后則表現出相反的趨勢，即下俯段RMS值大于上仰段。

3 結論

通過對翼型動態實驗的轉捩判定研究，可以得出以下幾點結論：

1)靜態實驗中基于脈動壓力均方根判定轉捩的方法同樣適用于翼型動態實驗；

2)動態實驗中的脈動壓力均方根值大于相同狀態下的靜態實驗值；

3)動態實驗中RMS值出現多個峰值，第一峰值具有明顯的轉捩特征，可以用來判定轉捩；

4)動態實驗的轉捩位置相對靜態有所提前。