Φ3 m 高温风洞流场性能校准

唐志共，陈德江，朱 超，曾令国，吴锦水

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，绵阳 621000)

0 引言

高温风洞在高速飞行器推进系统[1-6]、飞行器机体推进一体化技术[7-13]、材料与结构[14-16]等关键技术研究和飞行器研制中具有重要地位。大型高温风洞主要分布在美国、俄罗斯等国家，其中最具代表性的大型高温风洞主要有：美国兰利研究中心的8 英尺高温风洞[17-19]、美国阿诺德工程发展中心的气动与推进试验设备（APTU）[20-22]、俄罗斯发动机研究院的高温风洞。

近几十年来，美国对8 英尺高温风洞和APTU 等高温风洞持续进行了大规模的性能提升，包括8 英尺风洞的超燃冲压发动机试验能力拓展[17-19]、马赫数5 高动压性能拓展[23]、低马赫数（Ma=3～5）性能提升[24-25]，APTU 的高度模拟能力提升、高总温总压燃烧空气加热器研制和马赫数7 自由射流试验能力拓展[14]，有力支撑了美国Falcon 组合循环发动机和HyFly 计划等先进高速技术。为满足我国高速技术发展，中国空气动力研究与发展中心（China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC）自主研制建设了Φ3 m 高温风洞，并于2020 年形成能力。

流场性能校准是评价风洞流场品质、衡量风洞实际流场与真实飞行条件流场差异的重要手段，对于新建成的Φ3 m 高温风洞开展流场性能校准十分必要。本文针对大口径燃烧加热类高温风洞的流场尺寸大、气流总温高、总压高、速度快和组分复杂等特点，采用自主研制的大尺寸“米”字形排架对风洞喷管出口各截面的流场进行测量，获得了速度、温度的空间分布情况；采用气流组分取样探针获得了关键点位的气流组分；采用“一”字形排架多次进出流场，获得了风洞长时间运行过程中的流场性能。

1 风洞简介

Φ3 m 高温风洞是一座3 米量级暂冲型、自由射流式高温风洞，马赫数模拟范围4～7，高度模拟范围17～30 km，最长运行时间数分钟，可以同时模拟真实飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分等参数。

风洞采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热形成高温高压气流，利用拉瓦尔喷管对气流加速，在试验段内形成试验所需的高速气流，为飞行器/发动机/热考核部件等提供所需的高焓模拟气流，气流经扩压器减速、增压、冷却后进入真空排气系统，其运行原理如图1 所示。

风洞由燃烧加热器、高速喷管、试验段、模型送进机构、扩压器、真空排气系统、动力燃料系统和测控系统等组成，如图2 所示。风洞包括Φ3 m 的Ma6、Ma7 和Φ2 m 的Ma4、Ma5、Ma6 喷管各一套。

图2 Φ3 m 高温风洞Fig.2 Φ3 m high temperature tunnel

2 风洞调试和流场校测方法

2.1 流场校测设备和仪器

采用测量范围为Φ3 m 和Φ2 m 的“米”字形排架（图3（a））分别对Φ3 m 喷管和Φ2 m 喷管进行流场性能校测，以获得喷管出口流场的速度、温度的空间分布情况。在排架水平（0°）方向和竖直（90°）方向安装皮托压力探针，45°和135°方向安装总温探针。其中，Φ3 m 排架校测区域分为Φ（0～1.8 ）m 和Φ（1.8～3.0）m 两个范围，分别间隔120 mm 和75 mm 布置测点，每个梁布置30 个测点，共计60 个皮托压力探针和60 个总温探针；Φ2 m 排架校测区域分为Φ（0～1.2）m 和Φ（1.2～2.0 ）m 范围，分别间隔100 mm 和50 mm 布置测点，每个梁布置28 个测点，共计56 个皮托压力探针和56 个总温探针，测点分布如图4 所示。

图3 流场校测排架实物图Fig.3 Flow field calibration device

图4 “米”字形排架测点布置图Fig.4 Layout of measuring points

采用CARDC 自主研制的探针取样-气相色谱分析系统进行喷管出口流场的气流组分测量[26]，在米字型排架45°和135°方向上对称布置2 个取样探针，测点位置分别为流场直径的50%和80%处，测点编号为Tt5、Tt24、Tt38 和Tt37。试验时将采集的气流存储于取样罐，试验后利用安捷伦7890B 气相色谱仪分析组分，系统测量精度优于5%。

采用如图3（b）所示的“一”字形排架在风洞长时间运行期间进行流场性能校测，获得喷管出口流场速度、温度的时间历程情况。试验时利用模型送进机构将“一”字形排架上下送入送出流场，可以规避排架总温探针长时间工作过程中烧毁和“米”字形排架尺寸大无法退出流场等难题。“一”字形排架自上向下间隔布置压力和温度测点，顶部5 个测点各间隔50 mm 布置，底部最后2 个测点间隔70 mm 布置，最上部的测点距离风洞中心255 mm。共安装有4 个皮托压力探针和3 个总温探针。

在进行风洞流场校测时，“米”字形排架或“一”字形排架安装在试验段内模型送进机构上，可以轴向和垂直移动，从而测量不同截面或位置的参数。

安装在排架上的总温探针采用氧化铝陶瓷滞止室，总温恢复系数0.97，热电偶选用K 型热电偶（Ma=4～5）和铱铑40-铱热电偶（Ma=6～7）。其中，K 型热电偶测量范围为73～1 643 K，精度为±0.40%；铱铑40-铱热电偶测量范围为273～2 423 K，精度为±1.00%。安装在排架上的皮托压力探针为水冷结构，压力采用PSI 电子扫描压力测量系统进行测量，量程范围0～700 kPa，精度优于0.1%。

2.2 流场校测方法

风洞气流最高温度达2 335 K，气体分子的振动能被激发，气体的比热比不再是定值，利用正激波关系式结合高温真实气体效应迭代计算马赫数。设激波前马赫数为Ma1，压强为p1，温度为T1，总温为T0，总压为p01，则激波前有以下关系式：

设激波后马赫数为Ma2，压强为p2，温度为T2，总温为T0，总压为p02，则激波后有以下关系式：

正激波前后满足以下关系式：

进行流场调校时，根据测得的激波前后总压、总温及试验气体各组分的比例等关系式，反复迭代计算，得到激波前后的马赫数。

一般将喷管出口不同截面上马赫数或温度偏差≤5%内的区域定义为马赫数或温度均匀区，均匀区的大小可以用于评估喷管出口流场的可用范围。采用各参数均匀区内测量结果的平均值X¯、标准偏差σX和相对标准偏差 ωX等来表征均匀区内该参数的均匀程度：

式中n为某参数均匀区内测点总数。

3 风洞流场品质及运行能力

3.1 喷管出口流场校测

对Φ3 m 喷管流场校测时，Φ3 m 排架压力和温度测点距离喷管出口600 mm。图5 为Φ3 mMa6 和Ma7 喷管典型状态下流场校测的马赫数分布和总温分布情况，实心图例为各测点平均值，空心图例为各测点的偏差值（测点值相对均匀区内平均值的偏差），表1 为参数汇总结果。校测结果表明：Φ3 mMa6 和Ma7 流场均匀区直径为喷管出口直径的80%，均匀区内各测点的偏差值均小于5%；Ma6 均匀区内平均马赫数为5.94，马赫数相对标准偏差为0.45%，总温相对标准偏差为0.84%；Ma7 均匀区内平均马赫数为6.89，马赫数相对标准偏差为0.74%，总温相对标准偏差为1.09%。Φ3 mMa6 和Ma7 喷管流场均匀区内各径向马赫数和总温分布曲线平直，分布偏差小，且马赫数和总温分布相对喷管中心轴线对称性好，分布均匀。

表1 Φ3 m Ma6 和Ma7 喷管流场校测结果Table 1 Flow field calibration results in Ma6 and Ma7 conditions of Φ3 m nozzle

图5 Φ3 m Ma6 和Ma7 喷管流场马赫数和总温分布Fig.5 Mach number and total temperature distribution in Ma6 and Ma7 condition of Φ3 m nozzle

总温测量结果的误差主要取决于温度传感器精度，铱铑40-铱热电偶测量范围为273～2 423 K，精度为±1.00%，即总温测量结果的误差不超过1%。

马赫数测量结果的误差主要取决于压力和温度传感器的精度，其中皮托压力探针的恢复系数为0.96～0.98，压力扫描系统的测量精度为±0.10%，经过迭代计算，马赫数测量结果的误差不超过0.03%。

对Φ2 m 喷管流场校测时，Φ2 m 排架压力和温度测点距离喷管出口500 mm。图6 为Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 喷管典型状态下流场校测的马赫数分布和总温分布情况，实心图例为各测点平均值，空心图例为各测点的偏差值，表2 为参数汇总结果。校测结果表明：Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 状态的流场均匀区直径均为喷管出口直径的85%，均匀区内各测点的偏差值均小于5%；Ma4 状态均匀区内平均马赫数为4.02，马赫数相对标准偏差为0.88%，总温相对标准偏差为0.15%；Ma5 状态均匀区内平均马赫数为5.00，马赫数相对标准偏差为0.80%，总温相对标准偏差为0.34%；Ma6 状态均匀区平均马赫数为5.94，马赫数相对标准偏差为1.16%，总温相对标准偏差为1.58%。Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 喷管流场均匀区内各径向马赫数和总温分布曲线平直、分布偏差小，且马赫数和总温分布相对喷管中心轴线对称性好，分布均匀。

表2 Φ2 m 喷管不同马赫数状态流场校测结果Table 2 Flow field calibration results at different Mach numbers of Φ2 m nozzle

图6 Φ2 m Ma4、Ma5 和Ma6 流场马赫数和总温分布Fig.6 Mach number and total temperature distribution in Ma4,Ma5 and Ma6 condition of Φ2 m nozzle

3.2 喷管出口轴线方向流场校测

为验证风洞轴向方向流场均匀区分布情况，利用模型送进机构将流场排架沿风洞轴向移动，对喷管出口不同位置流场进行测量。考虑总温探针长时间工作可靠性，每车次只校测一个截面。以Ma5 为例进行分析，分别对Ma5 状态典型工况喷管出口500、1 000、1 500 mm 三个位置进行流场校测。图7 给出了不同截面位置的马赫数剖面和总温剖面图。表3 给出了不同位置流场校测汇总结果。结果表明：500、1 000、1 500 mm 三个截面位置的马赫数均匀区分别为1 700、1 500、1 300 mm，三个截面均匀区内的平均马赫数均为5.0，马赫数相对偏差最大值为0.80%，马赫数均匀区内总温偏差最大为0.20%，实测马赫数半锥角为11.31°，小于理论值11.54°，风洞流场马赫数菱形均匀区比理论预测直径更大，轴向长度更长，流场品质更好；500、1 000、1 500 mm 三个截面位置的温度均匀区均为1 700 mm，温度均匀区呈圆桶形分布，平均总温分别为1 196、1 186、1 200 K，三个截面总温均匀区内总温相对偏差最大为0.80%。

图7 Ma5 喷管出口不同位置处马赫数和总温分布Fig.7 Mach number and total temperature distribution at different locations from nozzle outlet under Ma5 condition

表4 给出了在喷管出口1 000 mm 截面时Ma5 流场组分测量结果，从结果可以看出，4 个测点的组分分布一致性较好，但O2、N2、CO2、H2O 物质的量浓度与理论预测值仍存在一定的偏差，其中O2浓度偏差1.8%，N2浓度偏差1.0%，CO2浓度偏差1.6%，H2O 浓度偏差1.2%，主要是由于系统测量误差导致的。

表4 Ma5 流场组分测量（1 000 mm 截面位置）Table 4 Component measurement results at 1 000 mm cross-section in Ma5 condition

3.3 风洞流场随运行时间的波动

风洞长时间运行过程中，空气/液氧/燃料供应系统、燃烧加热器、喷管、扩压器和真空排气系统等的工作稳定性将影响风洞流场性能。本文采用“一”字形排架对风洞Ma6 典型状态150 s 运行过程进行了流场校测，考察了风洞流场随时间的波动情况。风洞起动后10 s，利用模型送进机构将“一”字形排架从试验段底部向上送入至流场，15 s 到指定位置，17 s向下撤出流场，此时获得一组流场校测数据（记为T15）；100 s 时排架再次送入流场，105 s 到指定位置，107 s 撤出流场，此时获得第二组流场校测数据（记为T105）。图8 为风洞运行过程曲线和流场校测数据，结果表明运行过程风洞总压稳定，两个时刻校测马赫数和总温分布基本保持一致，波动分别为0.51%和1.60%。T15 时刻4 个皮托压力平均值为115.8 kPa，3 个总温平均值为1 586.8 K；T105 时刻4 个皮托压力平均值为116.8 kPa，3 个总温平均值为1 548.0 K。

图8 Ma6 状态长时间运行的关键参数Fig.8 Typical parameters for long-term operation in Ma6

从Φ3 m 高温风洞典型运行曲线可知，风洞起动快，压力波动小，从风洞起动到点火成功、流场建立，时间约10 s，远小于美国兰利中心8 英尺高温风洞的130 s起动时间[10]，且起动过程燃烧室无明显压力波动。

4 结论

Φ3 m 高温风洞是进行高速飞行器空气动力学、推进技术、材料与结构等试验研究的重要地面设备，是空气动力学、高速推进系统和热结构试验的大型试验设施，具有以下特点：

1）风洞模拟参数范围宽，具备马赫数4～7，高度17～30 km 飞行环境下的马赫数、总焓、动压和氧组分同时模拟能力。

2）风洞流场均匀区大，达喷管出口直径的80%以上，马赫数菱形均匀区与理论预测结果一致，温度均匀区呈直筒形分布；均匀区内马赫数和总温相对标准偏差均优于2%，相对喷管轴线对称性好。

3）风洞运行性能好，起动快，压力冲击小，长时间运行稳定，数分钟级长时间运行过程中马赫数波动小于1%，总温波动小于2%。