可升降開放式風洞的流場性能測試與分析方法*

張亞娟

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

為了在氣候實驗室模擬飛機起飛、著陸遭遇強雨雪及濃霧等惡劣天氣的飛行情況，中國飛機強度研究所于2018年建成了可移動、可升降、開放式、低速風洞試驗裝置。與傳統低速風洞相比，具有使用方便、結構簡單、試驗段截面覆蓋面積大、氣流品質良好等特點。該風洞采用移動+升降+開放式的設計理念，并采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統來測定氣流品質，用于確定試驗截面位置變化與氣流品質的關系。

目前，針對風洞氣流品質的研究集中于試驗區截面內各個測試點的氣流特性，研究方式主要為風洞有限元仿真分析[1-2]和風洞實驗測試。例如，鄭則浩等[3]用皮托管測量可移動式環境風洞氣動特性，得到了實驗截面內氣流規律；胡丹梅等[4]采用五孔探頭對回流式低速風洞流場品質進行了測試；陳德華等[5]對2.4 m跨聲速風洞槽壁試驗段流場進行校測試驗；胡琨等[6]利用IFA300熱膜風速儀測量了直流低速風洞試驗段流場。

筆者通過對新建開放式風洞試驗區的氣流進行測試分析，進而對風洞的總體性能進行評價，為實驗室氣候環境模擬提供支持。比如開放式風洞所產生出的水平強氣流與氣候實驗室的豎直降雨系統相互協調配合，在實驗室內可實現全尺寸飛機風擋雨刷系統風吹雨試驗的真實模擬，解決目前飛機風擋雨刷系統風吹雨試驗只能在外場自然環境條件下進行、試驗周期長、費用大的難題。

1 可升降開放式風洞的結構

可升降開放式風洞是氣候環境實驗室主要環境模擬裝置之一，其主要功能是在實驗室進行吹風模擬試驗，需為以下實驗室環境試驗提供滿足要求的流場環境：

(1) 用于風吹雨試驗，考核飛機重要部位密封結構及除雨設備的功能和性能。

(2) 用于風吹雪試驗，考核飛機重要部位除雪設備的功能和性能。

(3) 結合降霧試驗系統，開展地面霧試驗，考核飛機機載光學設備在濃霧條件下的功能和性能。

(4) 結合凍雨試驗系統，開展地面凍雨積冰試驗，考核飛機地面除冰設備功能和性能。

開放式風洞尺寸為長9.2 m×寬4 m×高4 m，出風口尺寸為寬2 m×高2 m，保證距出風口4 m處吹風試驗段有效面積不小于1 m2(高×寬=1 m×1 m)。洞體結構主要包括入口段、動力段、圓方過渡段、等直段、收縮段、加強筋及法蘭連接等結構；其中動力段內安置四臺風機，等直段內安裝可以勻直氣流的蜂窩器和阻尼網[7-8]，收縮段內在洞口對稱安裝2套皮托管用于風洞風速測試，風洞氣動輪廓圖及示意圖如圖1所示。

圖1 開放式風洞氣動輪廓圖1.風機系統 2.圓方過渡段 3.等直段 4.收縮段

風機采用變頻電機驅動，電機功率為250 kW，保證出口風速5～55 m/s連續可調[9]。風速控制原理如圖2所示，風洞的風速測量采用西門子S7300PLC為核心的控制系統，控制系統主要包括控制計算機、S7300PLC、矢量變頻器及風速傳感器等。以西門子WINCC組態為控制界面，以太網連接PLC實現數據交換，PLC與變頻器采用profibus DP通訊方式，用以控制變頻器帶動電機運行，并實現PID閉環控制，同時計算機實時監控風機運行的多項系統參數，實現整個風洞穩定運行。

圖2 開放式風洞風速控制原理圖

2 測試方法

2.1 測試設備

采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統來測定氣流速度，通過風洞控制系統把風速實時顯示在工控機上，并能對風速進行5～55 m/s無極調控。利用支架將五孔探頭安裝在待測位置進行測量，五孔探頭長300 mm，直徑12 mm，通過軟管將掃描閥9116通道和五孔探頭的測孔相連，采集測孔的壓力值。掃描閥共有16個通道，量程10英寸水柱，精度0.01%，五孔探頭結構件如圖3所示。

圖3 五孔探頭結構簡圖

2.2 測試項目

2.2.1 測試位置

該開放式風洞試驗區距出風口4 m。測試區域為風洞試驗區，試驗區為距離出風口下游4 m正前方的垂直面上，以出風口中心軸線與垂直面的交點為中心組成一個高1 m×寬1 m，面積為1 m2的正方形區域，試驗區位置示意如圖4所示，其中(a)圖風洞中心軸線距地面3 m，(b)圖風洞中心軸線距地面6 m，(c)圖風洞中心軸線距地面8.7 m，測試截面分別為截面A、截面B和截面C。

圖4 風洞氣動特性測試位置示意圖

在測量截面處安裝測量裝置，截面內測量點分布如圖5所示。風洞氣流測試現場如圖6所示。

圖5 風洞試驗區截面測量點示意圖 圖6 開放式風洞氣流測試現場

2.2.2 最大風速

測出試驗區中心最大、最小風速，確定可用風速范圍，其方法是在試驗區中心安裝一支皮托管，使皮托管軸線與試驗區中心軸線重合。開放式風洞在最大、最小電機轉速范圍內取8點運行。

2.2.3 風速不均勻度

測量開放式風洞距出風口4 m處風速截面，截面均勻分布約9個測試點：截面寬度方向3個位置，高度方向3個位置，中心點5距洞體下底面垂直距離為2 m。測試截面在常用風速下進行測量。

測量后用如下公式進行水平風速均勻性計算：

(1)

2.2.4 風速穩定性

在試驗區中心軸線位置安裝皮托管一支。在常用速度范圍內，測量速度隨時間的變化，在1 min之內采集約120個點，計算出速度不穩定性。

與均勻性測試大致相同，但只測中心一點的風速。在距洞口4 m處試驗區軸線中心安裝五孔探頭進行測試，在可用速度范圍內選取20、30、40、50、55 m/s進行測試，測量1 min內120個速度，取數據中最大風速和最小風速計算出速度穩定性系數。公式為：

(2)

式中：Vmax為最大風速；Vmin為最小風速；V為風速目標值；η為風速穩定性系數。

3 測試結果及分析

3.1 風速的仿真與測試分析

開放式風洞在溫濕度可調的密閉空間中使用，既要室內大量取氣，又不能對實驗室保溫墻及周圍設備產生負壓影響，因此在設計階段就對風洞案的最大風速進行數值模擬計算分析，數值模擬采用ANSYS公司的FLUENT15.0求解器。求解器設置為基于壓力的定常計算模式，采用SIMPLE算法，湍流方程為k-e，標準壁面函數條件。

常溫封閉環境下，風扇壓增2150Pa時，開放式風洞出口處風速為55.37 m/s，如圖7所示為垂直和水平對稱面內X方向速度分布和流線。氣流經開放式風洞出口噴出后速度逐漸減小，流線略向下偏轉，接近遠場壁面時氣流向四周急劇擴散。擴散氣流一部分繞廠房一周后進入開放式風洞入口，一部分在廠房兩側回旋多圈后進入開放式風洞入口。

圖7 開放式風洞垂直和水平對稱面內X方向速度分布

將五孔探頭安裝在距風機陣子系統噴口4 m遠處，使探頭軸線與系統軸線重合。通過風洞控制系統風速控制界面分別設定目標風速10、20、30、40、50、55 m/s，測試結果如表1所列。

表1 風速測試結果

由圖8可知仿真計算得到垂直和水平面內最大風速都是正偏差，偏差值約為0.67%。由表1可知10～30 m/s之間風速是負偏差，30～55 m/s之間風速是正偏差，且隨著風速增高，風速偏差越來越小，最大風速精度達0.16%，風洞的最大風速滿足設計要求。

圖8 風洞三種截面內9個測試點最大風速曲線

3.2 風速均勻性分析

如圖4所示，開放式風洞可以依托工裝節和升降機進行高度調節，調節范圍為3.0～8.7 m，分別將風洞升到洞口中心距地面3.0、6.0、8.7 m并測試三種高度下截面A、截面B和截面C氣流均勻性，測試結果如表2所列。

表2 試驗區(1 m×1 m)內風速均勻性測試結果

從表2可以看出，在三個截面風速不均勻度中，截面A的值最大，為2.36%；截面B為0.53%；截面C為0.22%；均滿足不均勻度≤±4%的指標要求，同時可以發現截面氣流不均勻度隨截面高度增加而減小。由圖8可知在截面B和截面C內各個測點的最大風速不均勻度都較小，截面A內測點4、5、6的不均勻度也較小，其它測點的不均勻度偏大，由此可見該風洞風速均勻性在高空時明顯好于近地面處，截面中心部位的風速均勻性也明顯好于其它部位。

3.3 氣流穩定性分析

與均勻性測試大致相同，將風洞分別升到截面A、B、C三種高度狀態下并測試氣流穩定性，每種狀態下在距噴口4 m處風洞中心軸線高度安裝五孔探頭進行測試。在常用速度范圍內，測量1 min內120個速度，取數據中最大風速和最小風速計算出速度穩定性系數。如表3所列是設定目標風速為20、30、40、50、55 m/s時最大風速和最小風速的測定值及風速穩定性系數計算值，由表3可知風洞試驗區氣流穩定性滿足設計要求(穩定性≤±1%)。

表3 風洞風速不穩定度測試結果

三種截面內風速與風速不穩定度之間的關系如圖9、10所示。

圖9 三種截面內風速與風速不穩定度關系曲線

由圖9可知，一般情況下穩定性系數隨測試風速的增大而減小，截面A在風速40 m/s、50 m/s和55 m/s時穩定性系數隨風速增加出現反向增加。由圖10可知，試驗區氣流穩定性較好，穩定性系數大多數在1%以下，截面A在風速20 m/s和55 m/s時穩定性系數超過1%，截面C在風速20 m/s和30 m/s時穩定性系數略微超過1%。

圖10 三種截面內風速與風速不穩定度之間的關系

比較發現該風洞風速穩定性最好的是截面B,截面C次之，截面A穩定性最弱，原因是開放式風洞氣流離開洞體受外界干擾較大，截面A離地面距離僅3 m,受地面影響氣流順流向下偏轉，中間位置的截面B由于受外界環境影響相對較小，因此氣流穩定性最好。

4 結 論

文中提出了一種針對可升降開放式風洞的流場氣動特性測試方法，測試內容包括風洞試驗區風速、氣流均勻性、動壓穩定性等方面。測試分析數據表明，中國飛機強度所氣候環境實驗室的可升降開放式風洞具有良好的流場品質，滿足設計要求，完全可以為氣候實驗室極端氣候環境模擬試驗提供滿足要求的氣流環境。

(1) 開放式風洞最高風速可達55 m/s，試驗區有效吹風面積有1 m2,可以與實驗室淋雨設備組合，模擬飛機起飛及降落階段風擋系統風吹雨試驗環境。

(2) 通過風洞試驗區截面A、截面B及截面C風速均勻性測試結果分析，可得到該風洞風速均勻性在高空時明顯好于近地面處，截面中心部位的風速均勻性也明顯好于其它部位，符合風洞氣流一般特性。

(3) 通過風洞試驗區截面A、截面B及截面C風速穩定性測試結果分析，可得到該風洞風速在30～50m/s之間，風洞所有試驗區有效面積內風速穩定性都良好，風洞最低位在風速為20 m/s和55 m/s時風速穩定性略微差，風洞中間位在整個風速范圍內穩定性最好。