进气道表面脉动压力试验及分析

杨全 郭天天 王天

摘  要：进气道是喷气式飞机的一个重要部件，其管内的气流特性对结构设计影响较大，为识别进气道内表面存在较严重的脉动压力的区域及气流脉动特性，采用风洞脉动压力试验进行研究，以分析得出进气道内流场中气流脉动压力的特性以及飞机攻角、空气来流速度对其特性的影响。

关键词：进气道;脉动压力;风洞试验;湍流

中图分类号：V216.3        文獻标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0122-04

Abstract： The inlet is an important part of jet aircraft， and the flow characteristics in the duct have great influence on the structure design. In order to identify the area with severe pulsating pressure on the inner surface of the inlet and the characteristics of the flow pulsation， the wind tunnel fluctuating pressure test was used to analyze the characteristics of the fluctuating pressure in the internal flow field of the inlet， as well as the influence of the aircraft angle of attack and the incoming air velocity on its characteristics.

Keywords： air inlet; pulsating pressure; wind tunnel test; turbulence

引言

自从喷气式飞机问世以来，连接飞机和发动机的进气道就成为喷气式飞机的一个重要部件，在保证发动机正常供气的同时还应保障自身结构不出现故障。但在外场实际使用中较多出现进气道蒙皮裂纹、铆钉松动及掉铆钉头等故障[1-2]，其中除了结构设计尺寸和装配工艺的因素外，还受进气道特殊的工作环境影响，如发动机不同的作业功率、双通道不对称流动以及飞机姿态等因素，这些因素将引起进气道内气流紊流运动的产生，从而引起一种随机的动态压力，这种压力会影响飞行器的结构动态特性，可能使飞行器出现较大的局部载荷，诱导飞行器结构产生振动响应，导致飞行器结构疲劳甚至破坏，大大降低系统的可靠性，缩短飞行器的使用寿命。

进气道内表面气流流动特性多变，受紊流附面层特性的影响很大，因而主要依赖于风洞试验。国外在20世纪60年初期就开始了脉动压力试验、数据分析及工程应用的研究[3]，如在F/A-18战斗机研制中进行了大量的脉动压力/抖振风洞试验[4]，获得了充足的数据供飞机改进、完善使用。在国内，过去的飞行器主要是依据静强度的概念开展设计，近十几年，在飞行器设计过程中，气流脉动载荷越来越得到飞机设计师的关注和研究。

1 试验模型与方法

1.1 试验模型

试验模型为全金属模型，缩尺比为1：14。模型结构主要分为三部分：前机身、进气道通道和转接段（含测量段、扩散段、支撑转接板）。进气道内壁形状模拟到发动机进口截面，进气道内设置7个测量剖面，每剖面沿周向壁面布置8对稳/动态静压测量点见图1，图中稳/动传感器成对布置，‘X表示稳态传感器，‘q表示动态传感器，下标‘i表示剖面号，第7剖面按圆周均布8对稳/动传感器。

1.2 试验方法

模型通过专用尾支杆与尾撑全弯刀滑块机构相连，模型攻角的变化通过电机带动滑块在弯刀上滑动来实现，侧滑角的变化通过电机带动尾撑转盘机构转动来实现，为了保证模型通气和角度连续变化，在进气道出口测量段末端通过扩散段、软胶管与洞内的流量测量装置相连。

进气道试验内流场的模拟是采用真空抽气系统来实现。试验时，通过真空泵抽吸真空罐直至罐内压力达到稳定状态，然后改变通气管路中流量调节阀节流锥的位置，进而达到改变进气道进气流量的目的。在每个流量下，对进气道出口、内管道稳/动态压力进行测量，同时，通气管路中的气体流量由安装在洞内的高精度流量计进行精确测量。

2 确定进气道发动机共同工作点

在试验中除考虑飞机的飞行速度、姿态情况外，还应考虑飞行任务段发动机的工作状态，采用引射技术来模拟发动机工作进气量，通过公式（1）确定进气道与发动机共同工作点[5]。

（1）

其中Gc为发动机所需的折合流量，？椎为本试验采用的流量系数，   为测量段剖面的总压恢复系数，Fth为进气道的喉道面积，单位为m2。

3 数据采集方法

在动态压力数据采集中采用截止频率来限定有用信号频率范围，截止频率分为高通频率（即高于此频率的信号是有用的）和低通频率（即低于此频率的信号是有用的），本试验采用公式（2）方程确定动态压力测量的低通频率[6]。

（2）

式中：HZ为发动机的扰动频率（转/秒）;VMAX为发动机进口处最大质量流速（米/秒）;D为发动机进口截面直径（m）。

本次试验中，由此过程确定的动态压力测量截止频率为3～2270Hz。

4 脉动压力数据处理方法

4.1 稳态压力系数

试验采用动态压力传感器和稳态压力传感器相对布置，分别测量各点处的稳态压力和动态压力，再将动态压力测量值减去稳态压力测量值得出脉动压力值。各测量点的压力系数由公式（3）计算得出，本文中因含有空气来流速度为0的状态，为方便对比各种空气来流速度下的压力系数，故采用测量点静压除以无穷远处静压方式计算稳定压力系数。