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.     

连续式跨声速风洞大开角扩散段设计方法研究概述

随着我国自主研发大飞机项目的启动,对相应的高性能大型连续式跨声速风洞这一基础试验平台建设提出了日趋紧迫的需求.大开角扩散段在减小风洞尺寸的同时会引起气流分离,扩散段形状和内部整流装置的合理设计有着重要的意义.首先阐述大开角扩散段在连续式跨声速风洞中的作用,然后介绍了大开角扩散段在国外连续式风洞中的应用情况、布置位置和整流方式,主要分析比较目前几种大开角扩散段内阻尼网的设计方法,总结出一种最为优化的设计方案.最后对国内大型连续式跨声速风洞大开角扩散段的设计提出了几点建议.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

0.6 m连续式跨声速风洞轴流压缩机布局方案研究

压缩机作为连续式跨声速风洞的驱动系统,其运转性能与风洞总体性能的匹配设计是风洞研制的关键技术之一。随着大型连续式跨超声速风洞的发展,压缩机研制呈现出运转功率大和运转效率高、调节范围宽和调节精度高等鲜明特点。基于0.6 m连续式跨声速风洞的研制,对大型跨声速风洞轴流压缩机的布局方案进行研究。从气动性能、结构设计、控制等方面对压缩机位置布局和方案布局进行了分析,并阐述了风洞压缩机一体化设计的重要性。在压缩机布置于第一、二拐角段之间的前提下,通过压缩机性能试验,验证了电机外置两端驱动方案、多台电机同步控制方案和压缩机内流道整流技术等的可行性。风洞调试结果表明,压缩机运行性能良好,各项指标均满足设计技术要求,为大型连续式跨声速风洞建设奠定了基础。     

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.     

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...     

产生风洞低温试验气流的新途径

降低风洞气流总温是提高亚、跨声速风洞雷诺数的有效方法。现有采用液氮致冷的生产型低温风洞能满足设计各种新型飞机进行气动试验所需的雷诺数要求，但由于需耗用大量液氮，导致运行费用高昂，此外，排出大量低温缺氧气体还严重影响生态和环境，为此本文提出一种新颖的致冷途径。首先在风洞排气口添置双向式热交换器。利用排气携带的冷量将流入风洞的压缩气体预冷。既回收利用了排气的能量，同时还将排气温度提高。预冷过的压缩气体再通过热分离器进一步将温度降至近冷凝点或使其凝结，分别用作直通型或回流型低温风洞的气源。原理性实验结果及其推算表明：常规风洞使用的中压气源就能满足常压、低温风洞运行要求。     

亚声速二喉道流场不对称现象研究

为满足未来我国先进飞行器的发展需求,我国将考虑建设大型跨声速风洞,提高风洞试验模拟精细化水平。而第二喉道作为风洞 Ma 数控制的有效手段,被认为是提升跨声速风洞能力的关键技术之一。本文首先通过CFD 数值模拟发现了二喉道段流场在某些压比下存在不对称现象,然后,利用现有引导风洞,设计加工了 Ma=0.7的带可变中心体的二喉道段进行验证试验。试验结果显示,当前室总压达到某一值时,二喉道段流场会出现不对称现象,并前传影响试验段流场品质。最后利用 CFD 手段给出了一种无不对称现象的新型二喉道设计。     

跨声速风洞专用开孔壁试验段实验研究

为满足型号试验需求,2.4 m×2.4 m跨声速风洞需在不改变现有洞体结构和安装条件下新研制一个截面尺寸为3 m×1.92 m（宽×高）的专用开孔壁试验段。为了降低技术风险和投资风险,以0.24 m×0.20 m跨声速风洞（2.4 m×2.4 m跨声速风洞的引导风洞）为实验平台,采用变截面气动设计方案新设计、加工了一个专用开孔壁试验段实验件,并开展了预先性实验研究工作。通过实验研究验证了专用开孔壁试验段气动设计方案可行,且试验段模型区内流场达到设计指标要求。实验还考察了壁板扩开角、主流引射缝开度、开孔率分布等参数对流场均匀性的影响,研究结果表明:在扩开角0.3°、引射缝开度12 mm、加速区采用递增方式开孔时,专用开孔壁试验段的流场能够满足马赫数均方根偏差σ_M≤0.01（0.4≤Ma＜1.0）、σ_M≤0.02（1.0≤Ma≤1.2、1.4）设计指标要求,并且在Ma≤1.0时,σ_M达到了国军标合格指标要求。研究工作为2.4 m×2.4 m跨声速风洞专用开孔壁试验段设计提供了技术支持,也为该风洞下一阶段调试和流场校测提供了可供参考的调试参数。     

2.4m跨声速风洞TPS测控系统设计与实现

带涡轮动力模拟器(TPS)实验是一种先进的进/排气一体化动力模拟实验技术,该技术能为大型军用运输机、战略轰炸机、大型民用飞机、巡航导弹等推进/机体一体化设计提供必须的实验平台和有力的技术支撑.其中,TPS测控系统主要是为TPS单元驱动气体流量提供精确控制和测量并且负责TPS单元的安全监控工作.笔者介绍了2.4m跨声速风洞TPS测控系统的设计、实现以及调试应用情况.结果表明,整个实验系统运行稳定,工作可靠,TPS涡轮驱动气体的流量波动可以控制在0.001kg/s以内,可应用于型号实验.     

2.4m跨声速风洞压敏漆测量系统研制与应用研究

近十几年来,由于压敏漆(Pressure Sensitive Paint、PSP)测量技术的不断完善与发展,国际上主要空气动力试验机构逐步将其应用于2 m量级工程型风洞,完成模型表面压力测量、模型表面流动显示与 CFD 结果验证。在2.4m跨声速风洞建立了双组份、多光源和多CCD的PSP测量系统,解决了大型暂冲式跨超声速风洞试验存在的模型表面温度变化、光照均匀性与强度变化,以及模型振动、试验数据修正、喷涂与压敏涂料校准等诸多影响PSP测量结果精准度与可靠性的问题,并成功应用于大飞机测压模型和三角翼测压模型压力分布测量试验。试验结果表明:在小迎角范围压敏漆涂层对模型表面压力分布影响不明显;在试验马赫数0.4~0.82、模型迎角-4°~4°范围,PSP与传统电子扫描阀测量结果的Cp 均方根偏差小于0.03,测量精准度与国外同量级连续式跨声速风洞相当。可以为飞行器气动优化设计和空气动力学研究提供一种新的、先进的测试技术。     

暂冲式高速风洞流场控制系统建模与仿真

为满足中国空气动力研究与发展中心的2.4m跨声速风洞流场品质改进的需要,有必要建立一个高效的风洞流场控制模型作为控制器设计的验证平台。由于难以建立精确的空气动力学模型,且2.4m 跨声速风洞长期运行积累了大量的试验运行数据的实际,数据建模成为建模方法的首选。在硬件上,建立了基于反射内存技术的流场控制仿真系统,以获取现场采集的数据。建模方法采用数据建模方式,主要是利用系统辨识理论,将整个系统看成是一个“黑箱”,利用现场采集的数据来确定系统的参数和输入输出间的映射关系。采用以非线性自回归滑动平均模型(Non-linear Auto-Regressive Moving Average Model with Exogenous Inputs,NARMAX)作为风洞系统的数据模型,应用互信息法、曲线拟合法和伪最近邻点法分别确定了模型中采样间隔、时间滞后以及阶次3个参数。对比了最小二乘线性回归、BP 神经网络以及最小二乘支持向量机(LSSVM)3种方法对模型的拟合效果,确立了最小二乘支持向量机作为最终的拟合方法。为了提高仿真的精度,根据风洞运行的特点,将其整个过程划分为冲压、启动和调节3个阶段,分别建立了各个阶段的子模型。由于风洞系统是一个多输入多输出系统,并且延迟和阶次较大,采用了基于信息熵的数据压缩方法,实现了简化子模型规模的目的。最后,采用多模型融合的方法将各个阶段的子模型通过加权的方法来完成融合,从而构建起整个风洞系统的模型。稳定段总压和驻室静压分别通过所建模型得到,最后通过马赫数的计算公式得到试验段马赫数值。仿真结果表明:所建模型在运行包络线范围内的试验工况下,总压预测精度达到0.1%、马赫数预测精度基本达到0.001,达到了研究的目的。该项工作的开展较为系统地建立了暂冲式风洞的流场控制模型,建立的模型将为下一阶段基于现代控制理论的控制器设计奠定基础。