2.4 m连续式跨声速风洞气动设计与研究

连续式跨声速风洞由轴流压缩机驱动运行,具有运行范围宽、流场品质高、运行时间长等优点,是国际上最主要的跨声速风洞类别。近年来我国飞行器型号研制对大型连续式跨声速风洞的试验需求快速增长,为了弥补我国大型连续式跨声速风洞设备短板,中国航空工业空气动力研究院建设了2.4 m连续式跨声速风洞,该风洞是我国第一座大型连续式跨声速风洞。为了获得最佳的风洞流场品质和气动性能,航空工业气动院研发了多项适用于连续式跨声速风洞的气动外形设计技术,包括风洞的喷管、试验段、二喉道等高速部段的气动设计技术和低速部段气动设计技术。本文详细介绍了连续式跨声速风洞的总体设计要求和主要部段的气动设计方法,并通过CFD计算和风洞试验开展研究与验证。通过应用先进风洞气动设计技术指导风洞建设及调试,2.4 m连续式跨声速风洞的流场均匀性、噪声和湍流度已达到国际先进水平,试验数据品质与国际先进风洞一致。     

国外动态

NASA的新型风洞与改建风洞开始运转据NASA报道,NASA艾姆斯(Ames)研究中心的24.4×36.6米(80×120呎)新型风洞和12.2×24.4米(40×80呎)改建风洞已于1987年12月11日开始运转.美国国家全尺寸空气动力全套设备的建造费用为1.225亿美元.该设备可进行先进飞机的全尺寸试验以及航天飞机试验.     

跨声速风洞高速段一体化数值模拟研究

追求高亚声速经济巡航的民机、跨声速高机动特性的战斗机对高性能跨声速风洞的需求日趋紧迫,开 展跨声速风洞高速段一体化数值模拟研究,对跨声速风洞设计具有一定的参考意义。通过非对称平板扩压器 算例,初步验证计算方法的可行性,并对跨声速风洞高速段进行计算收敛评判方法、不同初始条件和槽壁扩张 角等因素研究。结果表明:采用模型区前后两个监测点马赫数变化作为收敛判据,方法可行且模型区流场均 匀;不同初始化条件对收敛结果总体影响较小,特别是各截面流场分布和槽道流动方向上,两者结果基本相同; 跨声速状态槽壁扩张角0.3°得到的试验段模型区域流场品质较槽壁扩张角0.0°更均匀。     

图片消息

由于国防预算紧缩和已有同种功能的设备,兰利的这座运行了64年之久的30英尺×60英尺(10米×20米)的全尺寸风洞已于10月底关闭。这座在1945年前一直是世界上最大的风洞,在30年代及二战期间,曾为美国航空航天新产品研制作了大量试验工作。1976年经改建后,主要从事10～20％缩比模型的自由飞气动力试验。其关闭后,大部分自由飞试验工作将转到兰利的14英尺×22英尺(4米×7米)的风洞内进行。目前,NASA还不计划拆除这座关闭的风洞。     

2.4米跨声速风洞大展弦比飞机测力试验技术研究

针对大展弦比飞机的气动布局特点,在2.4米跨声速风洞中开展了大展弦比飞机测力试验技术研究。该项研究建立了大升阻比高精度天平设计技术和模型支撑系统设计平台,研制了专用大升阻比高精度测力天平和模型支撑系统。在国内高速风洞中建立了大型跨声速风洞模型设计新准则。研究结果表明:所提出和制定的方案是科学合理的,为我国大飞机研制提供了可靠的技术支撑。     

利用常规风洞进行二元翼型试验的竖置全跨方法

采用竖置全跨试验方案,在CARDC(中国空气动力研究与发展中心)4米×3米风洞进行了几个二元翼型模型风洞试验。最初选用的模型是NASA GA(W)-1翼型,并作为校验模型。试验雷诺数高达4.69×100~6,攻角范围为-10～24°,试验结果相当满意。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

跨声速柔壁自适应风洞及试验技术研究

简述西北工业大学自适应壁风洞研究课题组在“八五”期间开展跨声速柔壁自适应壁风洞试验技术研究的主要研究工作成果，简介该校的高速柔壁自适应壁风洞的设计及主要参数，以及在该风洞中开展的低超声速消除波反射的研究、近声速的自适应壁风洞试验技术和跨声速自适应壁试验段优化设计的研究。     

2．4m跨声速风洞连续变迎角试验关键技术研究

在2．4m跨声速风洞开展连续变迎角试验技术研究中,遇到了3个难题：跨声速流场被持续扰动,快速精确补偿困难;试验有用信号频率与干扰信号频率产生重叠,降噪处理困难;信号间不同步对试验数据的影响增大,信号精确同步困难。采用总静压滤波优化和PID（Proportional Integral Differential）调节优化等方法提高流场快速跟随性,硬件＋软件＋小波等复合滤波方式进行降噪处理,并利用互相关函数实现各信号的精确同步,建立了2．4m跨声速风洞连续变迎角试验技术。使用J7等标模对该项技术进行了验证,结果表明,上述问题均得到有效解决,连续变迎角试验流场犕犪数稳定在±0．002范围内,数据的精准度达到阶梯测力试验水平。     

圆管内高超声速流的发展和激波形态的实验研究

本文的研究目的是了解沿圆管内发展的高超声速流的结构。实验是在加拿大多伦多大学的高超声速炮风洞内完成的，风洞的自由射流马赫数Ｍ＿∞＝８．３０，总温Ｔ＿（ｔ∞）＝１０００Ｋ，总压Ｐ＿（ｔ∞）＝２６．５ＭＰａ单位雷诺数Ｒ＿ｅ＝３．２×ｌ０￣７。壁面静压以及内流中的若干截面内的皮托压力和静压测量结果揭示，管内产生的激波主要是斜激波形态，而且存在着较强的激波与边界层的相互干扰。实验发现，近管中心线的高超声速流动有不稳定现象；壁面的边界层，基本上是湍流边界层，特别是干扰区的下游；圆管出口的周向内壁面的顶壁面静压对管的攻角异常敏感。本文提供的结果，可以指导高超声速流的计算流体力学的方法和进展。     

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热交换器概述

随着大飞机项目的启动,大型连续式跨声速风洞在国内的设计与建设已处于十分重要的时期,而作为其关键部段之一的热交换器一直是风洞设计人员关注的焦点。首先对热交换器在大型连续式跨声速风洞中的作用进行了阐述,然后介绍了国外几座典型的大型连续式跨声速风洞应用热交换器的情况,综合比较了两种热交换器的内部结构特征与性能优势,分析了热交换器在连续式跨声速风洞回路中的几种可能布局,总结出一种最优方案。最后,就国内大型连续式跨声速风洞热交换器的设计提出了几点参考意见。     

风洞模型自由翻滚试验技术

风洞模型自由翻滚动导数试验技术是为满足航空航天飞行器 0°～ 36 0°全迎角范围内的动导数测量及产生极限环振动现象研究之急需而研制的。该项试验技术研制了 0 .6m跨超声速风洞和 0 .5m高超声速风洞采用液体轴承支撑的自由翻滚试验装置 ;研制了高精度的角度测试系统与系统建模的大迎角非线性数据处理技术。该项技术已成功地为逃逸飞行器模型提供了可靠的试验结果     

跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

开展了跨声速风洞可压流场扰动模态与湍流度精细测量研究，以满足高速飞行器的低湍流试验需求。基于变热线过热比测量方法，在理论上推导了跨声速流场扰动的一般模态和3种特殊模态特征方程（涡模态、熵模态和声模态），以及扰动模态对应的特征曲线，以此为基础，通过试验获得了流场一般模态、涡模态、声模态扰动图和较高精度的湍流度值，通过扰动图频域分析了马赫数1.50的流场声模态扰动机理，建立了一种跨声速可压流场扰动模态分析与低湍流度测量方法。在新型连续式跨声速风洞完成马赫数0.20～1.50流场测量试验，测得湍流度为0.037%～0.197%，数据非线性拟合优度为0.943～0.995，蒙特卡洛模拟不确定度为0.000 2%～0.004 1%。研究结果证明了所建立的可压流场扰动模态与低湍流度测量方法的有效性，对高性能跨声速风洞的流场评估、优化和飞行器低湍流试验有实际意义。     

声爆近场空间压力风洞测量技术

针对暂冲式超声速风洞中的声爆试验，发展了近场空间压力精确测量技术，以航空工业空气动力研究院的FL-60风洞为例，开展了技术验证。FL-60风洞是一座典型的亚跨超三声速下吹式风洞，其试验马赫数范围为0.3~4.2，试验段尺寸为1.2 m×1.2 m，单车次试验时间通常为数十秒。根据暂冲式风洞试验时间短、耗气量大等特点，设计了无反射测压轨以代替传统的静压探针，大幅提高了声爆近场空间压力的测量效率。通过CFD技术对无反射测压轨的流动特性、模型安装位置以及风洞试验段中的波系进行了分析，验证了测压轨设计方案的可行性。采用Seeb-ALR低声爆标模和自行设计的带喷流的旋成体模型进行了验证性试验，采用参考车次方法和空间平均技术获得了高质量的数据，试验测量结果与CFD计算结果一致性较好，验证了声爆近场空间压力测量系统设计的合理性。     

跨声速三维非线性洞壁干扰的数值计算

分别以固壁条件和洞壁附近的压力分布模拟各类实壁和透气壁试验段的洞壁边界条件，利用Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎ－Ｓ方程数值求解模型在风洞中的绕流场，得出洞壁干扰对跨声速模型绕流和气动力的影响，初步的研究结果表明，该方法能较有效地模拟模型在跨声速风洞中的绕流场，经洞壁干扰修正后的ＧＢＭ－０４Ａ模型在０．６ｍ风洞中的试验结果与无干扰参考结果吻合较好     

高超声速风洞气动力试验技术进展

高超声速技术是未来航空航天技术的制高点,而高超声速风洞气动力试验是为高超声速飞行器设计和性能评估提供可靠数据不可或缺的重要技术手段。介绍了高超声速气动力试验设备种类和国内外典型的风洞设备,并分析了目前的发展现状。对国内高超声速风洞气动力试验相关测量技术、试验技术、试验数据评估和高超声速气动力标模体系等研究进展进行了总结。同时,还就高超声速气动力试验设备、气动力试验相关技术的未来发展趋势进行了探讨。     

超声速高超声速风洞测力数据衔接性的研究

本文叙述半锥角θc=1 0°尖锥模型和HB 2标模在FD 0 7风洞的气动力测量结果。通过与FD 0 6跨超声速风洞及国内外其它风洞实验数据的比较 ,讨论从超声速到高超声速的不同风洞设备中气动力测量数据随 Ma数的衔接变化 ,分析新建的FD 0 7风洞气动力测量的准确性和可靠性。     

2．4m跨声速风洞带TPS测力试验数据精度要求分析

成功建立带TPS风洞测力试验技术的一个关键问题是确保试验数据具有足够的精度，必须精细地分配误差。为获得满足工程需要的高精度测力试验数据，给出一种基于计算机符号运算的子程序，完成不确定度计算过程中公式自动推导、计算。最后通过对TPS风洞试验数据精度的敏度分析，给出了某运输机在2．4m跨声速风洞TPS试验中各环节的误差分配要求。