Φ3 m 高溫風洞流場性能校準

唐志共，陳德江，朱 超，曾令國，吳錦水

(中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000)

0 引言

高溫風洞在高速飛行器推進系統[1-6]、飛行器機體推進一體化技術[7-13]、材料與結構[14-16]等關鍵技術研究和飛行器研制中具有重要地位。大型高溫風洞主要分布在美國、俄羅斯等國家，其中最具代表性的大型高溫風洞主要有：美國蘭利研究中心的8 英尺高溫風洞[17-19]、美國阿諾德工程發展中心的氣動與推進試驗設備（APTU）[20-22]、俄羅斯發動機研究院的高溫風洞。

近幾十年來，美國對8 英尺高溫風洞和APTU 等高溫風洞持續進行了大規模的性能提升，包括8 英尺風洞的超燃沖壓發動機試驗能力拓展[17-19]、馬赫數5 高動壓性能拓展[23]、低馬赫數（Ma=3～5）性能提升[24-25]，APTU 的高度模擬能力提升、高總溫總壓燃燒空氣加熱器研制和馬赫數7 自由射流試驗能力拓展[14]，有力支撐了美國Falcon 組合循環發動機和HyFly 計劃等先進高速技術。為滿足我國高速技術發展，中國空氣動力研究與發展中心（China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC）自主研制建設了Φ3 m 高溫風洞，并于2020 年形成能力。

流場性能校準是評價風洞流場品質、衡量風洞實際流場與真實飛行條件流場差異的重要手段，對于新建成的Φ3 m 高溫風洞開展流場性能校準十分必要。本文針對大口徑燃燒加熱類高溫風洞的流場尺寸大、氣流總溫高、總壓高、速度快和組分復雜等特點，采用自主研制的大尺寸“米”字形排架對風洞噴管出口各截面的流場進行測量，獲得了速度、溫度的空間分布情況；采用氣流組分取樣探針獲得了關鍵點位的氣流組分；采用“一”字形排架多次進出流場，獲得了風洞長時間運行過程中的流場性能。

1 風洞簡介

Φ3 m 高溫風洞是一座3 米量級暫沖型、自由射流式高溫風洞，馬赫數模擬范圍4～7，高度模擬范圍17～30 km，最長運行時間數分鐘，可以同時模擬真實飛行條件下的馬赫數、動壓、總焓、氧組分等參數。

風洞采用空氣/液氧/異丁烷三組元燃燒加熱形成高溫高壓氣流，利用拉瓦爾噴管對氣流加速，在試驗段內形成試驗所需的高速氣流，為飛行器/發動機/熱考核部件等提供所需的高焓模擬氣流，氣流經擴壓器減速、增壓、冷卻后進入真空排氣系統，其運行原理如圖1 所示。

風洞由燃燒加熱器、高速噴管、試驗段、模型送進機構、擴壓器、真空排氣系統、動力燃料系統和測控系統等組成，如圖2 所示。風洞包括Φ3 m 的Ma6、Ma7 和Φ2 m 的Ma4、Ma5、Ma6 噴管各一套。

圖2 Φ3 m 高溫風洞Fig.2 Φ3 m high temperature tunnel

2 風洞調試和流場校測方法

2.1 流場校測設備和儀器

采用測量范圍為Φ3 m 和Φ2 m 的“米”字形排架（圖3（a））分別對Φ3 m 噴管和Φ2 m 噴管進行流場性能校測，以獲得噴管出口流場的速度、溫度的空間分布情況。在排架水平（0°）方向和豎直（90°）方向安裝皮托壓力探針，45°和135°方向安裝總溫探針。其中，Φ3 m 排架校測區域分為Φ（0～1.8 ）m 和Φ（1.8～3.0）m 兩個范圍，分別間隔120 mm 和75 mm 布置測點，每個梁布置30 個測點，共計60 個皮托壓力探針和60 個總溫探針；Φ2 m 排架校測區域分為Φ（0～1.2）m 和Φ（1.2～2.0 ）m 范圍，分別間隔100 mm 和50 mm 布置測點，每個梁布置28 個測點，共計56 個皮托壓力探針和56 個總溫探針，測點分布如圖4 所示。

圖3 流場校測排架實物圖Fig.3 Flow field calibration device

圖4 “米”字形排架測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

采用CARDC 自主研制的探針取樣-氣相色譜分析系統進行噴管出口流場的氣流組分測量[26]，在米字型排架45°和135°方向上對稱布置2 個取樣探針，測點位置分別為流場直徑的50%和80%處，測點編號為Tt5、Tt24、Tt38 和Tt37。試驗時將采集的氣流存儲于取樣罐，試驗后利用安捷倫7890B 氣相色譜儀分析組分，系統測量精度優于5%。

采用如圖3（b）所示的“一”字形排架在風洞長時間運行期間進行流場性能校測，獲得噴管出口流場速度、溫度的時間歷程情況。試驗時利用模型送進機構將“一”字形排架上下送入送出流場，可以規避排架總溫探針長時間工作過程中燒毀和“米”字形排架尺寸大無法退出流場等難題。“一”字形排架自上向下間隔布置壓力和溫度測點，頂部5 個測點各間隔50 mm 布置，底部最后2 個測點間隔70 mm 布置，最上部的測點距離風洞中心255 mm。共安裝有4 個皮托壓力探針和3 個總溫探針。

在進行風洞流場校測時，“米”字形排架或“一”字形排架安裝在試驗段內模型送進機構上，可以軸向和垂直移動，從而測量不同截面或位置的參數。

安裝在排架上的總溫探針采用氧化鋁陶瓷滯止室，總溫恢復系數0.97，熱電偶選用K 型熱電偶（Ma=4～5）和銥銠40-銥熱電偶（Ma=6～7）。其中，K 型熱電偶測量范圍為73～1 643 K，精度為±0.40%；銥銠40-銥熱電偶測量范圍為273～2 423 K，精度為±1.00%。安裝在排架上的皮托壓力探針為水冷結構，壓力采用PSI 電子掃描壓力測量系統進行測量，量程范圍0～700 kPa，精度優于0.1%。

2.2 流場校測方法

風洞氣流最高溫度達2 335 K，氣體分子的振動能被激發，氣體的比熱比不再是定值，利用正激波關系式結合高溫真實氣體效應迭代計算馬赫數。設激波前馬赫數為Ma1，壓強為p1，溫度為T1，總溫為T0，總壓為p01，則激波前有以下關系式：

設激波后馬赫數為Ma2，壓強為p2，溫度為T2，總溫為T0，總壓為p02，則激波后有以下關系式：

正激波前后滿足以下關系式：

進行流場調校時，根據測得的激波前后總壓、總溫及試驗氣體各組分的比例等關系式，反復迭代計算，得到激波前后的馬赫數。

一般將噴管出口不同截面上馬赫數或溫度偏差≤5%內的區域定義為馬赫數或溫度均勻區，均勻區的大小可以用于評估噴管出口流場的可用范圍。采用各參數均勻區內測量結果的平均值Xˉ、標準偏差σX和相對標準偏差 ωX等來表征均勻區內該參數的均勻程度：

式中n為某參數均勻區內測點總數。

3 風洞流場品質及運行能力

3.1 噴管出口流場校測

對Φ3 m 噴管流場校測時，Φ3 m 排架壓力和溫度測點距離噴管出口600 mm。圖5 為Φ3 mMa6 和Ma7 噴管典型狀態下流場校測的馬赫數分布和總溫分布情況，實心圖例為各測點平均值，空心圖例為各測點的偏差值（測點值相對均勻區內平均值的偏差），表1 為參數匯總結果。校測結果表明：Φ3 mMa6 和Ma7 流場均勻區直徑為噴管出口直徑的80%，均勻區內各測點的偏差值均小于5%；Ma6 均勻區內平均馬赫數為5.94，馬赫數相對標準偏差為0.45%，總溫相對標準偏差為0.84%；Ma7 均勻區內平均馬赫數為6.89，馬赫數相對標準偏差為0.74%，總溫相對標準偏差為1.09%。Φ3 mMa6 和Ma7 噴管流場均勻區內各徑向馬赫數和總溫分布曲線平直，分布偏差小，且馬赫數和總溫分布相對噴管中心軸線對稱性好，分布均勻。

表1 Φ3 m Ma6 和Ma7 噴管流場校測結果Table 1 Flow field calibration results in Ma6 and Ma7 conditions of Φ3 m nozzle

圖5 Φ3 m Ma6 和Ma7 噴管流場馬赫數和總溫分布Fig.5 Mach number and total temperature distribution in Ma6 and Ma7 condition of Φ3 m nozzle

總溫測量結果的誤差主要取決于溫度傳感器精度，銥銠40-銥熱電偶測量范圍為273～2 423 K，精度為±1.00%，即總溫測量結果的誤差不超過1%。

馬赫數測量結果的誤差主要取決于壓力和溫度傳感器的精度，其中皮托壓力探針的恢復系數為0.96～0.98，壓力掃描系統的測量精度為±0.10%，經過迭代計算，馬赫數測量結果的誤差不超過0.03%。

對Φ2 m 噴管流場校測時，Φ2 m 排架壓力和溫度測點距離噴管出口500 mm。圖6 為Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 噴管典型狀態下流場校測的馬赫數分布和總溫分布情況，實心圖例為各測點平均值，空心圖例為各測點的偏差值，表2 為參數匯總結果。校測結果表明：Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 狀態的流場均勻區直徑均為噴管出口直徑的85%，均勻區內各測點的偏差值均小于5%；Ma4 狀態均勻區內平均馬赫數為4.02，馬赫數相對標準偏差為0.88%，總溫相對標準偏差為0.15%；Ma5 狀態均勻區內平均馬赫數為5.00，馬赫數相對標準偏差為0.80%，總溫相對標準偏差為0.34%；Ma6 狀態均勻區平均馬赫數為5.94，馬赫數相對標準偏差為1.16%，總溫相對標準偏差為1.58%。Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 噴管流場均勻區內各徑向馬赫數和總溫分布曲線平直、分布偏差小，且馬赫數和總溫分布相對噴管中心軸線對稱性好，分布均勻。

表2 Φ2 m 噴管不同馬赫數狀態流場校測結果Table 2 Flow field calibration results at different Mach numbers of Φ2 m nozzle

圖6 Φ2 m Ma4、Ma5 和Ma6 流場馬赫數和總溫分布Fig.6 Mach number and total temperature distribution in Ma4,Ma5 and Ma6 condition of Φ2 m nozzle

3.2 噴管出口軸線方向流場校測

為驗證風洞軸向方向流場均勻區分布情況，利用模型送進機構將流場排架沿風洞軸向移動，對噴管出口不同位置流場進行測量。考慮總溫探針長時間工作可靠性，每車次只校測一個截面。以Ma5 為例進行分析，分別對Ma5 狀態典型工況噴管出口500、1 000、1 500 mm 三個位置進行流場校測。圖7 給出了不同截面位置的馬赫數剖面和總溫剖面圖。表3 給出了不同位置流場校測匯總結果。結果表明：500、1 000、1 500 mm 三個截面位置的馬赫數均勻區分別為1 700、1 500、1 300 mm，三個截面均勻區內的平均馬赫數均為5.0，馬赫數相對偏差最大值為0.80%，馬赫數均勻區內總溫偏差最大為0.20%，實測馬赫數半錐角為11.31°，小于理論值11.54°，風洞流場馬赫數菱形均勻區比理論預測直徑更大，軸向長度更長，流場品質更好；500、1 000、1 500 mm 三個截面位置的溫度均勻區均為1 700 mm，溫度均勻區呈圓桶形分布，平均總溫分別為1 196、1 186、1 200 K，三個截面總溫均勻區內總溫相對偏差最大為0.80%。

圖7 Ma5 噴管出口不同位置處馬赫數和總溫分布Fig.7 Mach number and total temperature distribution at different locations from nozzle outlet under Ma5 condition

表4 給出了在噴管出口1 000 mm 截面時Ma5 流場組分測量結果，從結果可以看出，4 個測點的組分分布一致性較好，但O2、N2、CO2、H2O 物質的量濃度與理論預測值仍存在一定的偏差，其中O2濃度偏差1.8%，N2濃度偏差1.0%，CO2濃度偏差1.6%，H2O 濃度偏差1.2%，主要是由于系統測量誤差導致的。

表4 Ma5 流場組分測量（1 000 mm 截面位置）Table 4 Component measurement results at 1 000 mm cross-section in Ma5 condition

3.3 風洞流場隨運行時間的波動

風洞長時間運行過程中，空氣/液氧/燃料供應系統、燃燒加熱器、噴管、擴壓器和真空排氣系統等的工作穩定性將影響風洞流場性能。本文采用“一”字形排架對風洞Ma6 典型狀態150 s 運行過程進行了流場校測，考察了風洞流場隨時間的波動情況。風洞起動后10 s，利用模型送進機構將“一”字形排架從試驗段底部向上送入至流場，15 s 到指定位置，17 s向下撤出流場，此時獲得一組流場校測數據（記為T15）；100 s 時排架再次送入流場，105 s 到指定位置，107 s 撤出流場，此時獲得第二組流場校測數據（記為T105）。圖8 為風洞運行過程曲線和流場校測數據，結果表明運行過程風洞總壓穩定，兩個時刻校測馬赫數和總溫分布基本保持一致，波動分別為0.51%和1.60%。T15 時刻4 個皮托壓力平均值為115.8 kPa，3 個總溫平均值為1 586.8 K；T105 時刻4 個皮托壓力平均值為116.8 kPa，3 個總溫平均值為1 548.0 K。

圖8 Ma6 狀態長時間運行的關鍵參數Fig.8 Typical parameters for long-term operation in Ma6

從Φ3 m 高溫風洞典型運行曲線可知，風洞起動快，壓力波動小，從風洞起動到點火成功、流場建立，時間約10 s，遠小于美國蘭利中心8 英尺高溫風洞的130 s起動時間[10]，且起動過程燃燒室無明顯壓力波動。

4 結論

Φ3 m 高溫風洞是進行高速飛行器空氣動力學、推進技術、材料與結構等試驗研究的重要地面設備，是空氣動力學、高速推進系統和熱結構試驗的大型試驗設施，具有以下特點：

1）風洞模擬參數范圍寬，具備馬赫數4～7，高度17～30 km 飛行環境下的馬赫數、總焓、動壓和氧組分同時模擬能力。

2）風洞流場均勻區大，達噴管出口直徑的80%以上，馬赫數菱形均勻區與理論預測結果一致，溫度均勻區呈直筒形分布；均勻區內馬赫數和總溫相對標準偏差均優于2%，相對噴管軸線對稱性好。

3）風洞運行性能好，起動快，壓力沖擊小，長時間運行穩定，數分鐘級長時間運行過程中馬赫數波動小于1%，總溫波動小于2%。