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.     

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。     

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。     

NF-6增压连续式跨声速风洞流场特性与标模试验

NF-6风洞是中国第一座增压连续式跨声速风洞.对NF 6风洞试验段流场特性进行了总结分析,研究结果表明该风洞具有优良的流场品质,总体上达到了设计要求,具备了承担型号和科研试验任务的能力.通过AGARD-B标模试验,进一步完善了NF-6风洞试验段流场品质校测项目,检验了该风洞的测力试验能力.NF-6风洞标模试验结果与国内外风洞试验数据吻合较好,试验精度和风洞平均气流偏角满足国军标要求,表明该风洞具备了测力试验的能力.     

风洞板翅式热交换器气体流动特性试验

针对风洞板翅式热交换器,开展了其在风洞运行工况下气体流动特性的研究.对比了板翅式热交换器和椭圆翅片管热交换器的扰流和压损特性,利用试验研究了不同来流风速、不同上游扰流片角度等条件下热交换器下游湍流发展变化规律,开展了封条、模块拼接缝等特征结构对气流扰动的影响研究.研究结果表明:该型板翅式热交换器相比椭圆翅片管热交换器,...     

开孔壁蜂窝器整流特性实验研究

蜂窝器是安装在风洞稳定段中用来提高风洞试验段气流均匀性、降低气流偏角及湍流度的重要整流装置。普通的实壁蜂窝器需要通过提高蜂窝器单元的长径比来达到提升整流特性的目的，但同时带来了损失系数增加等问题。设计了一种在蜂窝单元壁面开孔的蜂窝器，通过蜂窝器壁面上的开孔，实现了蜂窝器单元之间的旋涡和压力的传递，可以有效地提高蜂窝器的整流效果。在0.55m×0.4m低噪声航空声学风洞闭口试验段中，在不同来流速度条件下，使用热线风速仪对普通蜂窝器和开孔壁蜂窝器下游的速度及湍流度分布特性进行了试验研究。实验结果表明，与普通的实壁蜂窝器相比，开孔率为50%的开孔壁蜂窝器下游的湍流度可降低13.8%，蜂窝器下游的速度分布得到了改善，局部气流偏角也明显减小。在风洞设计中，使用优化后的开孔壁蜂窝器可以减少阻尼网的层数或收缩段的收缩比，从而降低风洞的运行能耗，并减少风洞的建设费用。     

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。     

西工大低湍流度风洞的变湍流度技术

西工大低湍流度风洞实现宽范围变湍流度能力的技术途径：适当的变湍流度格栅位置；宽范围变化的变湍流度格栅结构尺寸；恰当处理好变湍流度格栅装置与风洞试验段上游气动轮廓的干扰问题。文中给出了变湍流度时对功率损失的影响及该风洞的变湍流度能力，综述了变湍流度时对部分试验结果影响的规律性。     

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。     

一种基于EMD的低湍流度信号处理分析方法

采用热线风速仪在3座典型低速风洞中进行了流场湍流度测量，这3座低速风洞包括1个低湍流风洞、1个常规闭口风洞和1个开口射流风洞。针对湍流信号通常受噪声干扰的问题，在湍流度值处理中引入了经验模式分解（EMD)自适应滤波和HHT时频谱分析方法。将EMD方法与其他几种湍流度值处理方法进行了比较，包括带通滤波方法（BP)、电磁噪声解耦方法（ENC)和高通惯性衰滤波方法（HPIA)。采用EMD方法测得低湍流风洞的湍流度值，在流场速度30~100 m/s的范围内小于0.05%。采用HHT方法完成了脉动速度信号的时频分析，分析发现开口风洞试验段的脉动速度HHT时频谱有突出的低频信号。所构建的EMD自适应滤波器可以有效控制噪声对热线输出信号的影响，是一种有效的低湍流度信号处理方法。     

大型连续式高速风洞热交换器设计关键技术研究

随着大型连续式高速风洞运行功率和精细化测试要求的提高,对风洞热交换器性能提出了越来越高的要求,集中体现在换热压损性能、温度场均匀性和气流扰动特性3个方面。结合近年研究成果,对大型连续式高速风洞热交换器设计中的关键技术及研究成果进行了综述。分析了风洞热交换器的需求特点,总结了影响各种性能的主要因素。介绍了高效低压损设计技术、温度场均匀性控制技术和气流扰动控制技术,给出了热交换器换热效率和压力损失综合权衡的设计原则,阐述了换热芯体排列方式、冷却水流量及进水方式、热交换器段截面形状等对温度场均匀性的影响,以及来流条件和热交换器结构对气流扰动的特性。     

声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

采用热线风速仪对5.5m×4m 低湍流航空声学风洞闭口试验段低湍流度流场进行测量,根据对干扰信号的分析,提出了高通惯性衰减滤波方法,并与一般数据处理方法进行了比较,给出了流场测量方案、方法和结果。采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析脉动速度信号中的干扰噪声,发现40Hz~10kHz 频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。比较分析了0.5Hz~5kHz 带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果,采用0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法获得了流场低湍流度数据,流场速度30~100m/s 的湍流度平均值小于0.05%。实验结果表明,高通惯性衰减滤波方法可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度,为低湍流度流场信号处理提供了一种方法。     

大型回流边界层风洞的气动与结构设计

大型边界层风洞是开展风工程研究的必备装备。以浙江大学ZD-1边界层风洞的研制为背景,详细介绍了大型回流边界层风洞气动设计和立式结构设计中的关键问题,在风洞气动设计时采用了收缩比为4∶1的单回路单试验段气动轮廓,在试验段中设置了0.22°的当量扩散角,对拐角导流片外形作了特殊处理,并采用钢结构与混凝土结构相结合的立式结构。流场校验结果表明,大型回流边界层风洞的气动与结构设计能满足设计要求,某些指标甚至达到航空风洞的标准,在试验段中设置扩散角有利于降低轴向静压梯度,立式结构设计对提高试验段气流的水平均匀性有一定的作用,可为今后类似风洞的研制提供参考。     

噪声对边界层转捩的影响

风洞流场的噪声和湍流度是影响层流边界层转捩实验结果的两个重要因素。本文通过实验初步研究了噪声对转捩的影响，实验包括：输入声影响和风洞流场的噪声。结果表明：声频和声压在数值上都存在敏感区，风洞噪声是宽带噪声，以低频为主（至少低速风洞是如此），这对层流边界层转捩有重要作用；风洞噪声会随风速加大而增高；在稳定段用栅格改变湍流度时，实验流场的噪声会随湍流度升高而增加。     

3 m×2 m结冰风洞热流场品质提高及评估

结冰风洞热流场品质符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为明晰制冷系统性能升级优化对3 m×2 m结冰风洞热流场品质的影响,开展了热流场符合性验证试验,评估了热交换器出口和试验段两位置处热流场品质,给出了气流总温修正关系,形成了热流场控制包线。结果表明:热交换器出口和试验段模型区内热流场品质在主要试验工况下均优于SAE ARP5905指标;与升级优化前（2019年）试验结果对比,优化后试验段模型区内热流场空间均匀性显著增强,尤其在高风速、低总温工况下,模型区内均未出现超标的非均匀峰值点。结冰风洞制冷系统的升级优化显著扩展了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线,增强了结冰风洞试验模拟能力。     

噪声对边界层转捩的影响

风洞流场的噪声和湍流度是影响层流边界层转捩实验结果的两个重要因素。本文通过实验初步研究噪声对转捩的影响,实验包括:输入声影响和风洞流场的噪声。本文的结果表明:声频和声压在数值上都存在敏感区,风洞噪声是宽带噪声,以低频为主(至少低速风洞是如此),这对层流边界层转捩有重要作用,风洞噪声会随风速加大而增高;在稳定段用栅格改变湍流度时,实验流场的噪声会随湍流度升高而增加。     

风洞短试验段中基于被动技术的大气边界层模拟

针对西南交通大学XNJD-1风洞第一试验段的特点,采用被动模拟装置,通过多次流场校测、反复试凑,成功地在风洞中模拟了C类地表情况下的高湍流度大气边界层,实测平均风速剖面、湍流度剖面及风谱特性等与目标值较为吻合.此外,还对比讨论了平均风速和离地高度等因素对风场特性影响, 并计算了湍流积分尺度.研究表明边界层调试过程中应重点考查气流在对应结构卓越频段范围内的脉动情况,而仅将湍流度作为参考指标.