利用M1.4喷管和开孔壁试验段实现低超声速流场实验研究

2011-04-15陈志强王海峰

实验流体力学 2011年1期

刘琴 ,陈志强 ,申江,符澄,王海峰

(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳 621000)

0 引言

飞行器在跨声速范围(M=0.8～1.4)飞行时,其气动特性十分复杂,对试验模拟参数(如Ma数,Re数)和试验条件都十分敏感,2.4m×2.4m跨声速风洞作为中国唯一的2m量级的大型地面模拟试验设备,其试验马赫数范围为M=0.3～1.2,不具备低超声速的试验能力,无法满足飞行器在研制过程中对该速度范围的试验需求,严重制约了2.4m×2.4m风洞在飞行器研制中的作用发挥,因此,非常有必要拓展2.4m×2.4m风洞试验马赫数范围,使其具备M1.4的低超声速试验能力,以满足未来先进飞行器跨、超声速气动特性精细化试验与分析的需求。

根据2.4m×2.4m风洞结构状态,考虑通过新增设M1.4喷管与现有的开孔壁试验段配套使用的方式来实现低超声速流场。目前,国内在该方面尚未进行过较为系统的实验研究工作,因此,为了研究M1.4喷管和开孔壁试验段组合状态下能否实现低超声速流场、所建立的低超声速流场品质能否满足试验需求,以及风洞的开车参数和洞体条件对流场的影响等内容,在2.4m×2.4m风洞的引导风洞(FL-26y)上开展了相关的实验研究工作。该项实验研究不仅为2.4m×2.4m风洞增设M1.4喷管使其具备M1.4的低超声速试验能力提供了技术支持,同时也为该风洞在下一阶段正式开展M1.4流场调试提供了可供参考的调试参数。

1 实验设备及实验方法

1.1 实验设备

FL-26y是一座由多喷嘴引射器驱动的、回流式的跨声速风洞,是2.4m×2.4m引射式跨声速风洞按1/10缩比建造的模型风洞。风洞试验段截面尺寸为0.24m×0.2m,长0.675m,试验马赫数范围为M=0.3～1.2(M1.4、M1.8)。该风洞的设计为“积木式”的,其试验段、支架段、栅指二喉道段、第一拐角段、排气段、主引射器和混合室、第三拐角段、消声器、第四拐角段、稳定段和喷管段均为可拆卸部段,以便方便地安装各种实验件。风洞气动轮廓图见图1。

图1 FL-26y风洞Fig.1 FL-26y wind tunnel

该风洞试验段配置有一套实壁板和两套孔壁板(壁板A和壁板B),通过壁板的更换,风洞试验段可以是四壁开孔试验段、上下壁为孔壁左右壁为实壁或四壁均为实壁等不同开孔率的试验段。壁板A为60°的斜孔壁,孔径为 3mm,上下壁开斜孔率为4.1%。左右孔壁上设置有长270mm宽120mm的长圆孔观察窗,其中一侧壁还设有100mm的转窗,左右侧壁开孔率为1.8%,见图2(a)。壁板B为60°的斜孔壁和槽壁组合壁板,斜孔孔径为3mm,上下壁开孔率为7.5%。左右侧壁的开孔率为4.3%孔壁+12%的槽壁,见图2(b)。

风洞试验段左右壁平行,上下壁角度可调,调节范围为-0.5°～+1°。模型支架段上下及左右壁板均可调节,在试验段出口构成试验段主流引射缝气流通道形成主流引射方式。上下调节缝的最大开度可以调到 24mm,左右调节缝的最大开度可以调到40mm。

实验所使用的主要测试仪器为PSI公司的9116型压力扫描阀,量程±1.5×105Pa,精度0.05%。

图2 开孔壁板实物照片Fig.2 Photo of perforated wall

1.2 实验方法

利用新设计加工的M1.4喷管的实验件,在固定风洞主引射器参数、栅指位置、主排气阀和辅排气阀开度的情况下,通过调节稳定段总压p0、辅引集气室压力 p′0(即驻室抽气量)等开车参数和扩开角 α、主流引射缝开度h、开孔壁开孔率等洞体条件,测量试验段轴向马赫数分布,计算出试验段模型区(距试验段入口195～495mm)的马赫数均方根偏差σM,得出不同参数对试验段流场的影响规律,验证所得到的低超声速流场能否满足实验需求,并找出M1.4时试验段流场最优状态下的开车参数和洞体条件。

2 实验结果与分析

在风洞洞体条件为：主引射器面积比为0.055、引射马赫数为2.0、喷嘴数量8个;栅指零位;主排气阀全开;辅排气阀全开,试验段壁板为壁板A(上下壁开孔率4.1%,左右壁开孔率1.8%);主流引射缝开度为25mm;扩开角为0°时,在稳定段总压分别为 p0=1.3×105Pa、1.4×105Pa、1.5×105Pa、1.6×105Pa,辅引集气室压力分别为 p′0=0Pa、6.9 ×105Pa、8.2 ×105Pa、9.6 ×105Pa、10.6 ×105Pa、11.5×105Pa(所对应的驻室抽气量分别为0.5%、0.8%、1.7%、2.8%和3.5%)的各种组合情况下测量了驻室参考点马赫数,测量结果见表1。

根据测量结果可以看出在稳定段总压为1.5×105Pa,辅引集气室压力大于10.6×105Pa时,或稳定段总压为1.6×105Pa,辅引集气室压力大于8.2×105Pa时,试验段才能得到M1.4的低超声速流场。

表1 不同开车参数下驻室参考点马赫数Table 1 Mach number in the plenum chamber of different operation parameters

2.1 开车参数研究实验

图3为稳定段总压为 1.5×105Pa和 1.6×105Pa时,不同驻室抽气量下试验段轴向马赫数分布曲线。

图3 不同驻室抽气量下试验段轴向马赫数分布曲线Fig.3 Axial Mach number distribution curves for different evacuation flow from the plenum chamber

从以上实验结果可以看出,在洞体条件相同的情况下,试验段流场均匀性是由稳定段总压和驻室抽气量共同影响的,两者需协调组合才能得到最佳的流场。在相同稳定段总压下,随着驻室抽气量增加,试验段流场品质会有所改善。比较稳定段总压为1.5×105Pa和1.6×105Pa两种情况下的流场,可见其最佳流场的马赫数均方根偏差相差不大,但是稳定段总压为1.6×105Pa时,风洞的耗气量要大很多,因此,综合考虑各方面因素还是稳定段总压为1.5×105Pa时开车参数最优。

2.2 洞体条件研究实验

图4为不同扩开角时试验段轴向马赫数的对比曲线。可以得出：不同的扩开角对试验段流场均匀性有一定的影响。在风洞运行方式为主流引射+驻室抽气方式时,试验段的扩开角越小流场的均匀性越好。在本实验中扩开角为0°时试验段流场优于扩开角+0.3°和+0.5°时的试验段流场。

图5为不同引射缝开度时试验段轴向马赫数的对比曲线。由图可以得出：随着引射缝开度的增大,试验段流场的均匀性改变不大。在主流引射缝开度为0、14和25mm时,试验段马赫数均方根偏差变化很小,可见在试验段有驻室抽气的情况下,主流引射缝开度对试验段流场均匀性的影响是很小的。

图4 不同扩开角时试验段轴向马赫数对比曲线Fig.4 Axial Mach number distribution curves for different diffuser angle in the test section

图5 不同引射缝开度时试验段轴向马赫数对比曲线Fig.5 Axial Mach number distribution curves for different open width of the mainstream ejected slot

图6为不同壁板开孔率时试验段轴向马赫数的对比曲线。由实验结果可以看出：在试验段上下壁为贴一半孔的壁板B(壁开孔率3.75%),左右壁为实壁时,试验段马赫数均方根偏差为0.0179;在试验段采用壁板 A(上下壁开孔率4.1%,左右壁开孔率1.8%)时,试验段马赫数均方根偏差为0.0072;在试验段上下壁为壁板B(壁开孔率7.5%),左右壁为实壁时,试验段马赫数均方根偏差为0.0171。可见,不同壁板开孔率对试验段流场的均匀性影响比较明显,根据现有条件可以得出试验段壁板的开孔率太小或太大都会给试验段流场带来不好的影响,使流场的均匀性变差。

图6 不同壁板开孔率时试验段轴向马赫数对比曲线Fig.6 Axial Mach number distribution curves for different porosity in the perforated wall

表2汇总了在稳定段总压p0=1.5×105Pa,辅引集气室压力p′0=11.5×105Pa的开车参数时不同洞体条件下的实验结果,由表中数据可见,在各种组合情况下,扩开角为0°,主流引射缝开度为25mm,试验段壁板为壁板A时,所建立的 M=1.4的流场最优,其马赫数均方根偏差σM=0.0072,能够满足国军标合格指标的要求。