低速大迎角進(jìn)氣道流場(chǎng)測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)研究

郭佳男

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

隨著軍用飛機(jī)的高機(jī)動(dòng)性、高速性、隱身性能的要求，對(duì)于進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的匹配性要求也越來(lái)越高。進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性是指在飛行包線范圍內(nèi)，飛行員進(jìn)行任何允許的操縱時(shí)，進(jìn)氣道能夠提供滿足要求的出口流場(chǎng)和流量，發(fā)動(dòng)機(jī)均能在要求的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。飛機(jī)的任何機(jī)動(dòng)和油門操縱的組合應(yīng)使進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)各部件在其使用限制以內(nèi)，特別要保證進(jìn)氣道和壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕量，以避免進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生不穩(wěn)定工作或喘振[1-4]。

進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性是飛行試驗(yàn)中非常重要的考核內(nèi)容，重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)氣道提供的流場(chǎng)能否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。當(dāng)前型號(hào)試飛中，一般采用加裝于進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)壓力、溫度等氣動(dòng)參數(shù)，用于開展進(jìn)氣道飛行試驗(yàn)，獲取進(jìn)氣道性能，進(jìn)氣道出口壓力畸變、溫度畸變、旋流，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量等重要性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性評(píng)估。飛行試驗(yàn)中，測(cè)量耙作用是直接感受進(jìn)氣道流場(chǎng)變化，其中測(cè)量耙上的探針是測(cè)量耙的關(guān)鍵部位，直接決定著測(cè)量耙功能，影響試飛數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[5-7]。

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院在60 余年的飛行試驗(yàn)歷程中，圍繞多型軍、民用飛機(jī)進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性試飛中，成功設(shè)計(jì)研制了多型進(jìn)氣道流場(chǎng)測(cè)量耙，獲取了寶貴的進(jìn)氣道流場(chǎng)試飛數(shù)據(jù)，但對(duì)于低速大迎角試飛中的進(jìn)氣道測(cè)量處于空白，本文基于某型飛機(jī)低速大迎角試飛中進(jìn)氣流場(chǎng)的測(cè)量需求，通過(guò)若干關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了多種類型的測(cè)量耙探針形式，在風(fēng)洞中開展試驗(yàn)研究，獲取了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)氣道流場(chǎng)測(cè)量提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)量耙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某型機(jī)試飛的技術(shù)需求及進(jìn)氣道的安裝形式，確定采用6 支梳狀測(cè)量耙組合而成，按周向等角度（60°）均勻布置，呈“水”字形，單支耙上布置5 組測(cè)點(diǎn)，共有6×5=30 組測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)用于獲取流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)總壓、靜壓及動(dòng)態(tài)總壓數(shù)據(jù)。如圖1 所示。為了能在同一測(cè)點(diǎn)同步測(cè)量穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓、動(dòng)態(tài)總壓，同時(shí)提高測(cè)量耙的準(zhǔn)確性，研制了風(fēng)洞試驗(yàn)專用試驗(yàn)件，設(shè)計(jì)了5種不同類型的測(cè)量耙探針，單支耙如圖2 所示，由左至右依次命名為探針1#～5#。不同探針特征參數(shù)見表1。

表1 不同探針特征參數(shù)

圖1 測(cè)量耙測(cè)量截面示意圖

圖2 測(cè)量耙風(fēng)洞試驗(yàn)件

探針1#為單獨(dú)的皮托式探針，探針頭部正對(duì)來(lái)流方向，周圍布置一圈靜壓孔，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓的測(cè)量。

探針2#為皮托式探針+動(dòng)態(tài)壓力組合探針，在皮托式探針旁增加一個(gè)動(dòng)態(tài)壓力探針，除了可獲取穩(wěn)態(tài)總壓/靜壓，還可獲得動(dòng)態(tài)總壓，但二者之間存在一定間距，間距10 mm，會(huì)帶來(lái)穩(wěn)態(tài)總壓和動(dòng)態(tài)總壓的位置誤差。

探針3#為復(fù)合探針，在一個(gè)套管內(nèi)部集成了皮托式探針和動(dòng)態(tài)總壓，縮短了原有2 個(gè)探針間間矩，有助于減小位置誤差。

探針4#同為復(fù)合探針，相比探針3#增加了伸出長(zhǎng)度，耙壁回流對(duì)測(cè)量的影響相對(duì)較低。

探針5#與探針2#形式相同，只是2 個(gè)探針間距縮小，間距6 mm，用于降低動(dòng)態(tài)總壓和穩(wěn)態(tài)總壓的位置誤差，但是迎角較大的工況下可能會(huì)對(duì)氣流有阻擋，影響測(cè)量精度。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)對(duì)象為新研制的復(fù)合探針多模式總壓畸變測(cè)量耙，試驗(yàn)采用半彎刀尾撐，角度范圍為迎角α=-30～40°，側(cè)滑角β=0～20°，試驗(yàn)風(fēng)速為34 m/s（馬赫數(shù)M=0.10）、68 m/s（馬赫數(shù)M=0.20）和85 m/s（馬赫數(shù)M=0.25）。調(diào)整來(lái)流風(fēng)速，測(cè)量耙安裝迎角和側(cè)滑角的定義示意圖如圖3、圖4所示。分別在M=0.10、0.20、0.25按照?qǐng)D5所示的測(cè)量耙迎角和側(cè)滑角標(biāo)定網(wǎng)格圖依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)獲得測(cè)量耙耙體各測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)態(tài)總壓的角度特性（穩(wěn)態(tài)總壓、靜壓、動(dòng)態(tài)壓損失系數(shù)隨來(lái)流迎角、側(cè)滑角的變化特性）、速度特性（穩(wěn)態(tài)總壓、動(dòng)態(tài)壓力損失系數(shù)隨來(lái)流馬赫數(shù)的變化特性）。圖6為測(cè)量耙在風(fēng)洞中的示意圖。

圖3 測(cè)量耙迎角定義

圖4 測(cè)量耙側(cè)滑角定義

圖5 測(cè)量耙迎角和側(cè)滑角網(wǎng)格圖

圖6 測(cè)量耙在風(fēng)洞中示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

定義δ 為壓力損失系數(shù)，表征探針的壓力損失特性，即測(cè)量耙探針?biāo)鶞y(cè)得總壓與風(fēng)洞所測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)總壓比值。

3.1 穩(wěn)態(tài)總壓角度特性試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7—圖11 為1#～5#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化曲線示意圖。由圖7—圖11 可以看出迎角對(duì)總壓損失的影響較為明顯，迎角為0°時(shí)的總壓損失最小，隨著迎角的絕對(duì)值增大，總壓損失逐步增大，且變化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，基本呈拋物線型；相同側(cè)滑角下，正迎角（耙體上仰）下的總壓損失相對(duì)負(fù)迎角（耙體下傾）會(huì)更大一些，這是由于耙體上仰導(dǎo)致耙體本身對(duì)氣流的阻礙作用較大，氣流流過(guò)的損失加劇。隨著側(cè)滑角增大，總壓損失也在增大，這是由于大側(cè)滑角下氣流流經(jīng)探針邊緣會(huì)產(chǎn)生較為明顯的流動(dòng)分離，導(dǎo)致流經(jīng)探針的總壓損失增大。

圖7 1#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖8 2#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖9 3#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖10 4#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

圖11 5#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨姿態(tài)角變化（M=0.2）

3.2 穩(wěn)態(tài)總壓速度特性試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12—圖16 為1#～5#探針不同馬赫數(shù)和迎角下的總壓損失特性曲線。由圖12—圖16 可以看出，馬赫數(shù)對(duì)總壓損失影響相對(duì)較小，曲線整體趨于平緩，在大迎角下，隨著馬赫數(shù)增大損失逐漸增大。這是由于隨著來(lái)流馬赫數(shù)增大，探針處的流動(dòng)分離更加劇烈，導(dǎo)致壓力損失增大。

圖12 1#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖13 2#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖14 3#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖15 4#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

圖16 5#探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓損失隨馬赫數(shù)變化（β=0°）

3.3 穩(wěn)態(tài)總壓不同探針特性試驗(yàn)結(jié)果分析

圖17—圖19 為1#～5#探針不同迎角和側(cè)滑角下的總壓損失特性曲線。由圖17—圖19 可以看出，隨著迎角和側(cè)滑角的變化，不同探針間的總壓損失變化趨勢(shì)基本一致，大側(cè)滑角下不同探針間的總壓損失差值愈來(lái)愈明顯。整體來(lái)看，3#和4#探針角度特性曲線相比其他探針來(lái)說(shuō)趨勢(shì)更為平緩，這是由于套管的存在，對(duì)于氣流有一定的整流作用，也就是說(shuō)3#和4#探針對(duì)于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內(nèi)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量。

圖17 不同探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=0°）

圖18 不同探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=10°）

圖19 不同探針?lè)€(wěn)態(tài)總壓迎角特性變化（β=20°）

4 結(jié)論

1）穩(wěn)態(tài)總壓隨迎角和側(cè)滑角的增大，總壓損失逐漸增大，且變化趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯，正迎角下比負(fù)迎角更為明顯。

2）馬赫數(shù)變化對(duì)穩(wěn)態(tài)總壓的壓力損失影響較小，風(fēng)速對(duì)不同探針的影響較為線性，趨勢(shì)線較好。

3）復(fù)合探針對(duì)于氣流角度的敏感程度較低，更適合在較大角度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。