连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题.以试验段尺寸0.6m×0.6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径.该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术.     

大型连续式跨声速风洞总体方案与关键技术研究

大型连续式跨声速风洞具备飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计等试验能力,试验段尺寸大、指标要求高、系统规模大、运行功能多.围绕大型连续式跨声速风洞的特点,简要介绍了大型连续式跨声速风洞总体设计方案,重点介绍了世界一流流场品质实现、大型轴流压缩机及其驱动系统研制等关键技术的初步研究成果.     

NF-6风洞压缩机及驱动系统研制

NF-6风洞是我国第一座增压连续式跨声速翼型风洞，轴流压缩机是影响风洞安全运行和流场性能的重要因素之一。介绍了NF-6风洞轴流压缩机的运转性能要求、在风洞回路中位置的选取；压缩机驱动轴系的扭转振动分析；双电机串联主从驱动方式的关键技术等。通过2003年10月的试运转表明，压缩机以及驱动系统的研制是成功的。     

0.6m连续式跨声速风洞总体性能

中国空气动力研究与发展中心（CARDC）0.6m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞，设计方案采用了宽工况压缩机及其与风洞一体化设计、半柔壁喷管、低噪声跨声速试验段、指片再入调节片式主流引射缝、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。通过风洞总体性能调试，获取了风洞安全运行边界及总体性能，得到了风洞各关键部段性能参数。调试结果表明，风洞总体和各部段性能均达到预期设计技术要求；压缩机、换热器和各辅助系统设备运行性能良好；实现稳定段总压运行范围15~250kPa，总压控制精度优于0.2%；实现试验段Ma运行范围为0.144~1.640，马赫数控制精度优于0.002；轴向马赫数分布均方根偏差优于设计指标（Ma ≤ 1.0时，σ_Ma < 0.002，1.0 < Ma ≤ 1.6时，σ_Ma < 0.008）的要求；当试验Ma ≥ 0.5时，试验段核心气流脉动压力系数ΔC_p < 0.8%。调试结果验证了0.6m连续式跨声速风洞设计方案的可行性，为我国大型连续式跨声速风洞研制提供参考。     

NF-6增压连续式高速风洞压缩机喘振边界的确定

NF-6风洞是我国第一座增压连续式跨声速风洞,轴流压缩机是影响风洞安全运行和流场性能的重要因素之一.对国内首座增压连续式跨声速风洞压缩机喘振边界的确定进行试验研究.简要论述了喘振发生的机理及其危害以及确定喘振边界的重要性,讨论了压缩机逼喘过程及其原理以及风洞增压对喘振点(喘振边界)的影响;给出了控制风洞运行的压缩机喘振边界线、喘振预警线、安全保护线、防喘调节线及防喘振措施,为该座增压连续式风洞稳定运行奠定了基础,提供了安全保障.     

一种连续式跨声速风洞总压控制方法设计

总压是连续式跨声速风洞关键流场参数，高总压控制精度能提高试验数据的准确性，加快调节速度对缩短马赫数极曲线时间具有重要意义。针对连续式跨声速风洞试验工况多、调节手段多等特点，对连续式跨声速风洞压力调节系统及多种流场调节手段下的压力耦合特性进行分析研究，建立了连续式跨声速风洞总压控制精度和调节阀特性的对应关系，并以此设计出不同工况的阀门组合控制策略，采用分段变参数加模糊PID控制算法实现总压的闭环控制。风洞试验结果表明:在保证每条马赫数极曲线时间的同时，总压控制精度达到0.1%，控制方法能够有效满足连续式跨声速风洞总压控制要求。     

0.6 m连续式跨声速风洞流场品质改进试验研究

中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC)0.6 m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞。本文在前期风洞总体性能调试的基础上,通过风洞试验段不同壁板(槽壁/孔壁)型式及设计参数优化、压缩机尾罩和拐角段等洞体回路部段降噪、壁板扩开角和主流引射缝等机构调节、半柔壁喷管和二喉道以及驻室抽气系统控制等措施,对风洞流场品质进行改进,取得了突出进步。主要研究成果包括:总压控制精度优于0.1%;试验段马赫数控制精度优于0.001;跨超声速试验段气流压力脉动系数ΔC_p≤0.8%;平均气流偏角优于0.1°;稳定段出口气流湍流度ε≤1.5%;试验马赫数分布均匀性和标模试验数据精度等指标均达到国际先进水平。该流场品质调试研究充分验证了连续式跨声速风洞实现更高流场品质的可行性,为中国大型连续式跨声速风洞方案设计及国际先进流场品质保证提供了参考。     

低雷诺数效应对0.6m连续式风洞性能影响

风洞试验中通常采用降低运行总压的方法来扩大风洞雷诺数模拟的下边界。同常压试验相比，在低雷诺数条件下，风洞流场是否存在明显变化，风洞流场品质是否满足指标要求，直接影响风洞试验数据的精准度。为了研究低雷诺数效应对0.6m连续式跨声速风洞性能（包括轴流式压缩机性能、总压及马赫数控制精度、流场均匀性）的影响，调试人员在0.6m连续式跨声速风洞中开展了大量相关试验，本文在对试验结果进行整理、分析的基础上，给出了Re对风洞性能的影响。结果表明:（1）Re对压缩机性能、总压控制精度、马赫数控制精度、流场均匀性都有明显影响，当Re_c<5×105（c=0.1√A）时，雷诺数效应明显，且Re越小，影响越大。（2）0.6m连续式跨声速风洞能够真实、准确反映Re对风洞流场性能和测力试验数据的影响规律，是开展高空低雷诺数飞行器、翼型、发动机等性能研究的理想地面模拟试验平台。     

连续式跨声速风洞压力损失计算研究

为满足未来先进航空航天型号的发展需求，我国逐步展开了大型跨声速风洞建设工作；由于过去从未开展过大型连续式跨声速风洞建设，建设经验较为有限。连续式风洞压力损失估算及各部段气动参数计算是风洞结构、测控系统和动力系统设计的输入条件；压力损失估算结果的准确性，直接影响了风洞动力系统设计的难度。本文结合经典的压力损失计算方法，针对损失的关键部位，结合CFD数值模拟及缩比部段试验结果进行全面的分析，给出了特殊部段尤其是试验段的损失系数，并通过多次迭代计算的方式，给出了各部段气动性能。最后，将风洞压力损失估算值与某0.6 m量级连续式跨声速风洞试验结果进行对比，估算偏差在7.5%以内。     

大型连续式跨声速风洞干燥系统参数优化研究

在跨声速风洞中,试验段水汽凝结会使气流变为非等熵流动并产生凝结波,严重破坏流场均匀性并对测试数据产生影响.因此,试验前需对气流进行干燥使其含湿量低于1.5 g/kg.大型连续式跨声速风洞经济、高效的气流干燥途径是设置循环干燥系统.针对连续式跨声速风洞干燥要求及运行特点,确定了转轮联合冷却除湿的总体技术方案,提出了基于均...     

连续式跨声速风洞轴流压缩机气动设计与低噪声设计

连续式跨声速风洞是采用轴流压缩机驱动的、可持续运行的变密度回流式风洞.一方面,此类风洞具有运行工况范围宽的典型特征,驱动风洞主回路气流的轴流压缩机需要具备在宽工况范围稳定高效运行的能力;另一方面,良好的风洞试验段动态流场品质要求轴流压缩机进出口气流噪声不高于140 dB.宽工况范围的高效稳定运行要求和低噪声设计要求给连...     

NF-6风洞马赫数控制系统研制

NF-6风洞是我国唯一一座增压连续式跨声速翼型风洞,为了提高实验雷诺数,在设计上还具有喷氮降温的功能。笔者介绍了NF-6风洞马赫数控制系统的组成、特点及运行方式,对转速控制子系统、压缩机静叶角控制子系统、二喉道栅指控制子系统等进行了较为详细的介绍。     

增压连续式跨声速风洞的防喘振措施--直接放空的研究

安全、可靠的防喘振措施是保证增压连续式跨声速风洞安全运行的重要条件之一.直接放空作为防喘振措施的可行性得以讨论.在建立一个考虑压缩机和风洞回路相互影响数学模型的基础上,通过数值仿真,分析了直接放空对风洞和压缩机的影响.结果表明对于增压连续式跨声速风洞,直接放空只是带来风洞工作点一个短暂的过渡过程,不能有效地使工作点脱离喘振区.     

0.6m连续式跨声速风洞总压控制策略设计

总压作为连续式风洞控制系统关键指标之一，其控制精度及快速性对提高风洞试验效率、降低能耗具有重要意义。0.6m风洞为国内首座具备负压试验能力的连续式跨声速风洞，其试验工况多，压力范围广，针对该风洞压力特性，设计了总压控制策略，根据不同的压力工况确定不同的阀门组合控制方式；同时针对模糊PID对连续式跨声速风洞宽压力范围、多调节工况下压力控制适应性较差的问题，提出分段变参数加模糊PID相结合的控制算法，即先根据目标总压确定不同分段区间下基本合理的基准P、I参数，再结合模糊控制算法对基准参数进行修正。风洞调试结果表明，总压控制精度优于0.1%，控制策略能够有效满足不同工况的控制要求。