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.     

一种特殊情形下风洞M≥1跨声速均匀流场的建立

在中国空气动力研究与发展中心高速所FL 24(1.2m×1.2m)跨超声速风洞中,通过采用减小风洞柔壁喷管喉道截面积的方法,成功地在风洞超扩段内装有大堵塞度六自由度机构情形下建立了均匀M≥1跨声速流场。流场校测结果表明,所获得的跨声速流场均匀性指标能满足试验要求,较为成功地解决了FL 24风洞进行跨声速CTS试验的问题,具有实际应用价值。     

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。     

高超声速风洞真空系统临界压力比实验研究

临界压力是暂冲式高超声速风洞实验段流场破坏时真空罐中的压力值，临界压力比影响Ma10以上大型高超声速风洞真空系统的设计。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma10以上喷管的实验，测量了风洞实验段静压、流场的皮托压力、扩压器内表面前后压力、真空罐压力等参数，了解了各部位流场随真空罐压力升高的变化过程，获得了现有风洞Ma10、Ma12和Ma16各自的流场维持所需临界压力比分别为0.34、0.35和0.5。采用FASTRAN软件模拟了风洞流场建立到破坏的非定常过程，计算结果与实验结果较为一致。临界压力比的获得为类似大型高超声速风洞真空系统设计提供了关键基础数据。     

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。     

跨声速风洞模型试验非线性洞壁干扰修正方法研究

简要介绍了ＣＡＲＤＣ高速所结合风洞试验和ＣＦＤ两种手段,发展的跨声速三维非线性洞壁干扰修正方法。该方法采用Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎ－Ｓ方程模拟模型的绕流场,以实测的跨声速透气壁附近的压力分布作为风洞流场的边界条件,数值求解模型的风洞流场和自由流场,由两者之差得到洞壁干扰对模型气动力的影响。通过流场可视化软件可直观方便地分析洞壁干扰对跨声速模型绕流的影响。该方法已应用于七个模型在几种不同风洞试验段中的跨声速洞壁干扰修正,结果令人满意。     

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.     

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。     

瑞利散射测速技术在高超声速流场中应用研究

采用基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma5、Ma6、Ma12的流场速度和湍流度的测量，了解了瑞利散射速度和湍流度测量系统在高超声速流场中应用的情况，结果表明目前该风洞流场湍流度在1%以内，速度测量结果与流场校测偏差最大1.3%；对激波后返回舱模型绕流速度进行了测量，Ma6来流的测量结果与数值模拟结果吻合较好，而Ma12来流的测量结果与数值模拟结果相差69%，对原因进行了分析。在实验中发现目前Φ0.3m高超声速低密度风洞的流场存在一定程度的冷凝现象，并对后续研究工作提出了建议。     

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。     

多功能风洞及CFD优化设计

上海交通大学在建的多功能低速风洞具有串列式的大小两个试验段.为提高边界层试验时的工作效率,将在大试验段的转盘前部设置自动升降粗糙元装置.为模拟风浪流联合作用环境下船舶/海洋工程结构物的流体动力响应,由旁路风道将风引至循环水槽测试部的上方,并且该测试部的风速可以随时间周期变化.为提高大试验段的流场指标,在与试验结果对比的基础上,CFD方法模拟了风洞的内部流场,基于DOE结果生成了Kriging模型,采用多岛遗传算法得到最优解.研究结果表明优化设计的结果显著提高了流场的性能指标.     

先进跨声速风洞的设计技术

合理地设计当代跨声速风洞的稳定段、第二喉道、多喷嘴引射器、特殊的排气系统以及回流道等，对风洞获得低的噪声和低的湍流度、实现经济的增压运行、低的耗气量以及有效地控制和稳定试验段Ｍ数、降低风洞运转Ｍ数下限等都能起到显著的作用。     

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。     

大飞机布局模型跨声速风洞实验尾支撑干扰研究

对某大飞机布局风洞实验尾支撑干扰开展了数值模拟和实验研究,发展的数值方法计算结果与风洞实验结果有很好的一致性.对于类似构型的飞机,在迎角-2°~6°范围,可认为尾支撑干扰量随迎角呈线性变化,采用前位叶片支撑作为辅助支撑带来的二次干扰量可以忽略,新型双天平辅助支撑系统试验进一步验证了这一结果;尾支撑对机身、尾翼、机翼等部件的绕流都有影响,干扰量随构型而变,对阻力、力矩影响较大,且随Ma数变化,因此不同构型实验数据需要单独修正.所发展的带风洞支撵系统的数值模拟软件能够满足工程应用要求,可用于支撑干扰修正研究以及风洞实验支撑系统优化设计.     

跨声速翼型风洞开孔壁的简化模型数值模拟

以开孔壁翼型风洞为研究对象，构建简化的仿真模型，模拟开风洞孔壁附近及小孔内的流动，研究开孔壁对风洞试验的影响。研究了开孔壁流动的主要特征参数并建立多孔板模型，为进一步建立数值风洞模型及研究洞壁干扰提供参考。通过简化的孔壁模型，研究了开闭比等特征参数对风洞流场和翼型绕流的影响。构建了二维简化孔壁模型和多孔介质孔壁模型，并验证了以多孔板模型模拟孔壁风洞流场的可行性。本文建立了一种研究跨声速孔壁风洞的孔壁效应的数值方法，为跨声速孔壁风洞流场的模拟研究提供参考，为进一步构建可靠的风洞孔壁数值模拟数学模型提供一种研究思路。