跨声速风洞试验段马赫数静压探针移测方法初探

2021-09-07邓海均熊波罗新福洪少尊刘奇蒲泓宇刘为杰

西北工业大学学报 2021年4期

邓海均, 熊波, 罗新福, 洪少尊, 刘奇, 蒲泓宇, 刘为杰

(中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所, 四川绵阳 621000)

为了满足现代化先进飞行器研制更加精细化的要求，实现风洞试验向模拟真实化、测量精细化方向发展的目标，对于高性能跨声速风洞的流场品质提出了更高的要求[1-3]。为了检验风洞流场品质，确定风洞是否满足飞行器研制需求，需定期开展流场校测工作。流场校测的项目主要包括速度场、方向场、跨声速通气壁消波特性、洞壁边界层、气流噪声、湍流度、气流的低频脉动等[4-5]，其中速度场为必校项目。常规跨声速风洞速度场校测通常采用长轴向探测管测得的静压与风洞总压计算得到试验段中心线(核心流)上的马赫数，最终获得核心流马赫数轴向分布特性和风洞试验马赫数与驻室马赫数的修正关系。

参与风洞试验的长轴向探测管尾部固定在中部支架上，管体位于试验段中心线上,由于头部需穿过试验段和喷管段一直延伸到收缩段，为了减小自重引起的挠度问题造成长轴向探测管偏离风洞轴线以及为保证试验的安全，通常需要对其进行多处张线固定[6-9]。国内外风洞如NF-6风洞、FL-26风洞[10-13]、艾姆斯研究中心的统一规划风洞(UPWT)以及兰利中心的 NTF风洞[14-15]等均采用上述形式开展常规流场校测试验,该方式可减小头部对流场的干扰，但过长的尺寸及张线工装对流场及洞体均存在不利影响。静压探针相对于长轴向探测管的尺寸更小，堵塞影响相对于长轴向探测管可以得到有效降低，另外由于无需张线支撑，避免了洞体工装干扰带来的影响,具有较高的实用价值。日本的JAXA 2 m×2 m跨声速风洞研究人员利用固定安装于试验段内部的静压探针校准了试验段来流马赫数和驻室参考马赫数的对应关系[16]。

本文以CARDC 0.6 m连续式跨声速风洞(FL-20风洞)为试验平台，设计了2款可移动的新型探针，通过风洞试验对其测值特性开展了相关研究。

1 试验平台

FL-20风洞是一座由AV90-3型轴流式压缩机驱动的连续式跨声速风洞,为水平布置的全钢结构。风洞试验段尺寸:0.6 m×0.6 m×1.85 m,马赫数范围0.2～1.6,雷诺数范围(0.029～2.25)×106(参考长度c=0.06 m),稳定段总压:(0.15～ 2.5)×105Pa。风洞采用定总压变马赫数的方式运行,总压与马赫数采用独立的闭环控制策略。总压控制通过闭环控制进/排气调压阀开度,实现其精确控制,控制精度≤0.1%;马赫数控制策略根据不同的马赫数区间,选取不同的主/辅压缩机转速控制和中心体控制的组合方式实现,控制精度≤0.002[17-18]。

图1 FL-20风洞现场图

2 试验条件及测试设备

试验全部采用常压方式运行,稳定段总压控制在100 kPa。试验选用FL-20风洞上下槽壁左右实壁试验段,开闭比为6%,如图2所示。试验段壁板扩开角为0.5°,主流引射缝开度为2°,试验马赫数范围0.8～1.2。

图2 槽壁试验段图3 FL-20风洞长轴向探测管(C-T)

试验中各测点的压力信号通过扫描阀进行测量,为了保证压力测量的同步性,将稳定段总压引至扫描阀模块进行采集。常压工况时,扫描阀模块量程为±103.425 kPa，扫描阀测量精度为0.05%。

长轴向探测管(代号:C-T)由探管柱体、延伸段和头锥组成,头部延伸至收缩段,是目前跨声速风洞常规流场校测中采用的主要工具,可作为静压探针的参照标准。C-T堵塞度为0.35%,头锥10°,通过尾部支撑安装在流场校测专用中部支架上,在收缩段入口采用张线支撑方式提高长轴向探测管刚度并实现沿风洞轴线方向的调节功能。如图3至4所示,C-T在风洞中安装完成后全长5 350 mm。

图4 长轴向探测管尺寸示意图

本期试验采用的单孔静压探针(代号:TZ-1,下同)和多孔静压探针(代号:TZ-8,下同)均固定安装在移测机构上进行验证试验,参与试验的静压探针如表1所示。

表1 参与试验的静压探针

根据计算流体力学方法(CFD)对亚音速条件下圆弧锥头部静压探测管进行了相关研究,计算条件为远场边界,利用Fluent求解器对计算模型进行求解[19-20]。如图5至6所示,马赫数0.6时柱段马赫数在离肩部1.2倍管径后与来流马赫数差量小于0.001 5(肩部为探针圆弧锥头部与柱段连接位置),马赫数受头部干扰影响程度从前往后迅速衰减。马赫数0.95时从数值计算结果中可以看出头部在流场中的影响规律与马赫数0.6一致,但扰动强度和影响区域相对增大,柱段马赫数在距离肩部3.4倍管径后与来流马赫数差量小于0.001 5。从仿真结果来看,亚音速条件下头部引起的流场扰动和影响区域均较小。由于试验段内的跨声速流场精确模拟相对困难,尤其在超音速来流中探测管头部将产生头波并在试验段壁板上发生波系反射,在研究中主要通过风洞试验进行探索。

图5 圆弧锥头部静压探测管马赫数分布(Ma=0.6)

图6 圆弧锥头部静压探测管马赫数分布(Ma=0.95)

根据文献[21]中关于静压探针尾锥展角θ的研究结果,认为探针尾锥长度为15倍尾锥底部直径且展角小于等于1.909时对测点马赫数的影响可予以忽略(图7)。

图7 尾锥展角θ示意图

如图8所示,试验采用的单孔探针(TZ-1)的直径d为6 mm,探针采用8°圆弧锥头部,探针柱段仅有一个静压测点,测点孔径为0.5 mm。静压测点距离肩部30d,距离后端锥段30d,测量点孔距试验段入口960 mm(移侧机构前伸至极限位置,可覆盖距离试验段入口960～1 360 mm),TZ-1在风洞中安装完成后如图9所示。多孔探针(TZ-8)的直径D为15 mm,探针尖端采用8°圆弧锥头部,探针柱段共有8个静压测点(上下两侧开孔),测点孔径为0.5 mm,各静压测点开孔分别距离肩部3D,5D,7D,9D,11D,13D,15D,17D,尾孔距离后端锥段105 mm,首个静压开孔距试验段入口960 mm(移侧机构前伸至极限位置,测区覆盖距离试验段入口960～1 570 mm区域)。

图8 静压探针(TZ-1)及(TZ-8)

图9 安装在风洞移测机构上的静压探针(TZ-1)

3 数据处理方法

在亚跨声速,长轴向探测管测点和驻室测点的静压通过传压管接到扫描阀进行测量,根据稳定段总压及各测点静压,依据马赫数计算公式得出相应的马赫数。

(1)

式中:Ma为试验段马赫数;P0为稳定段气流总压,Pa;P为试验段静压,Pa。

平均马赫数

(2)

式中:Macp为模型区核心流平均马赫数;n为测点数。

试验段核心流马赫数偏差ΔMaj

ΔMaj=|Maj-Macp|

(3)

式中:Maj为试验段核心流测点j处马赫数。

试验段核心流马赫数均方根偏差

(4)

式中:Maj为试验段核心流测点j处马赫数。

马赫数修正量

ΔMax=Macp-Mac

(5)

式中:ΔMax为试验段核心流马赫数修正量;Mac为驻室马赫数。

测点马赫数与驻室马赫数差量

ΔC=Maj-Mac

(6)

式中:ΔC为测点马赫数与驻室马赫数差量。

4 风洞试验

试验前按照操作规程对长轴向探测管和静压探针各测点逐一进行检查,结果显示各测点通气性及气密性良好。根据项目计划分别进行了单孔探针试验、多孔探针试验,试验时喷管均为声速型面。为保证试验条件不变,试验过程中洞体条件及风洞运行方式均保持一致。

4.1 单孔探针试验

TZ-1在试验过程中跟随移测机构在试验段中心线上移动,静压测点从距离试验段入口960 mm处开始每25 mm移测一点数据并记录,试验过程中控制马赫数保持不变,得到移测区间的数据。图10给出了马赫数0.8,0.9以及1.0下C-T、TZ-1在移测区的马赫数变化情况,图11至12给出了TZ-1在马赫数1.1和1.2移测区的试验结果(均为相对于驻室马赫数差量)。对TZ-1在试验段移测区(距离试验段入口960～1 360 mm)内测得的静压值按照数据处理方法得到相应的马赫数均方根偏差σMa指标,图13至14给出了C-T与TZ-1的移测区内马赫数均方根偏差量σMa和马赫数修正量的测试结果(为方便对比,C-T同样取960～1 360 mm计算均方根偏差量)。

图10 不同马赫数下C-T/TZ-1测区马赫数变化情况

图11 C-T/TZ-1试验结果对比(Ma=1.1)

图12 C-T/TZ-1试验结果对比(Ma=1.2)

图13 模型区均方根偏差

图14 马赫数修正量

当Ma=0.8及0.95时(图10),C-T在该测区的马赫数均方根偏差大于TZ-1结果,且存在较为明显的马赫数修正量差异。C-T是不同的测压孔在同一时间内测得的结果,测值结果会受到各静压孔一致性差异影响,TZ-1是单孔探针移测结果,考虑到该马赫数下流场相对稳定,头部在该马赫数下引起的干扰相对较小,且静压孔离头部足够远,TZ-1的移测结果曲线相对平滑,更能真实地反应流场马赫数变化情况。该马赫数下修正量差异达0.002 2～0.003 0,主要来自C-T与TZ-1在风洞中的堵塞度差异、支撑结构尺寸不同、安装方式以及各自的加工差异等因素的综合影响。

当Ma=1.0时(图10),TZ-1移测区的马赫数波动曲线与C-T存在明显差异,TZ-1移测区的均方根偏差量相对于C-T更小。通过对比C-T和TZ-1马赫数0.8,0.95和1.0的测区波动情况可以发现,C-T在马赫数0.8及0.95移测区的马赫数波动曲线几乎一致,说明核心流马赫数测值波动主要受各静压孔固定差异的影响。马赫数1.0时C-T受到流场自身波动增大的影响与各测压孔差异的影响,TZ-1受到头波以及移测装置的影响,长轴向探测管与单孔探针的测值曲线存在明显差异。

当Ma=1.1和1.2时(见图11至12),TZ-1在移测区的均方根偏差量相对于C-T明显偏大,TZ-1和C-T在移测区的马赫数修正量差异比马赫数1.0及以下状态小。从移测区的马赫数分布曲线可以看出部分移测点的马赫数测值发生明显偏离,说明在探针移测到不同位置时测点静压受到干扰影响不同,该试验条件与长轴向探测管固定测量各点静压值存在较大差异。

综合来看,当Ma≤1.0时,TZ-1的马赫数均方根偏差σMa和与C-T结果非常接近(σMa≤0.000 3),均方根偏差指标全部低于C-T,各状态马赫数修正量与C-T差异相对偏大(马赫数修正量差异量0.002 2～0.003 5);当1.05≤Ma≤1.2时,TZ-1的马赫数均方根偏差σM与C-T结果相比差异明显(0.002 7≤σMa≤0.003 2),马赫数修正量差异相对于马赫数1.0及以下状态有所减小。

4.2 多孔探针试验

多孔探针(TZ-8)在试验过程中同样跟随移测机构在试验段中心线上移动,首个静压测点从距离试验段入口960 mm处开始每25 mm移测一点数据并记录,每次记录的数据为8个测压点在同一时刻的数据,试验过程中控制马赫数保持不变,得到移测区间的数据。

图15和图16分别给出了马赫数0.8时移测装置在不同位置的测试结果和不同测压点的测试结果。马赫数1.0以上结果由于与长轴向探测管结果测值差异明显,且与TZ-1影响规律一致,此处不再作详细分析。

图15 不同位置测试结果(Ma=0.8)

图16 不同测压点测试结果(Ma=0.8)

在Ma=0.8时,图15是TZ-8首个静压测点在距离试验段入口960 mm(a),985 mm(b),1 010 mm(c),1 035 mm(d)4个位置时各测点在同一时刻的测值结果,可以发现该马赫数下流场本身波动较小,TZ-8的各静压测孔一致性差异是引起马赫数分布曲线波动的主要因素。

考虑到多孔探针头部以及尾支撑干扰的影响,选取多孔探针中部3,4,5,6号测点结果进行研究。图16为TZ-8第3,4,5,6号点的移测试验结果、TZ-1以及C-T在该区域内的测值结果对比曲线,可以发现3,4,5,6号点以及TZ-1测值曲线与C-T结果变化趋势基本一致,各测点在移测区测值曲线波动明显小于C-T结果。针对3,4,5,6号点的测值曲线求取平均趋势线(见图16),可以看出在公共移测区各测点以及TZ-1测值基本在平均趋势线±0.000 5以内,说明TZ-8中部测点以及TZ-1测点在该马赫数下测值结果较为准确,具备较高的可信度。

表2给出了TZ-8的8个测压点在移测区(距离试验段入口960～1 570 mm)内的马赫数均方根偏差量σMa结果(为方便对比,C-T取960～1 560 mm计算均方根偏差量)。从统计结果来看,当Ma≤1.0时多孔探针各静压测点移测区的马赫数均方根偏差量σMa普遍小于长轴向探测管结果,该结论与TZ-1一致;当1.05≤Ma≤1.2时,TZ-8各静压测点移测区的马赫数均方根偏差量σMa全部高于C-T结果,说明超声速时采用静压探针移测方式测量模型区核心流马赫数不可行。