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。     

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。     

固体推进剂药柱裂缝燃烧研究

静态点火条件下,在复合推进剂和双基推进剂裂缝燃烧实验的基础上,建立了一个综合静态点火模型。其中包括对流换热效应、气相热传导效应、热辐射效应、侵蚀燃烧效应和声振腔的影响。数值求解后得到许多参数的变化规律,可以预估裂缝燃烧的基本特征及其影响因素。文中就火焰传播速度与实验结果比较,吻合较好。此模型既可用于双基推进剂的裂缝燃烧研究,又可用于复合推进剂,具有较广泛的适用性。      

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。     

板翅式及管翅式换热器气流湍流特性研究

在连续式回流风洞中，为了控制风洞气流的总温，平衡风扇或压缩机做功产生的热量，需要在风洞试验段上游布置换热器。风洞换热器除了需要提高换热效率、降低压力损失之外，其对来流的整流效果及自身所引发的湍流流动也会对风洞试验段流场品质造成影响。在0.55 m×0.40 m低噪声航空声学风洞中，使用热线风速仪对椭圆管翅片式及板翅式换热器的下游湍流度分布进行了试验研究，获得了不同构型换热器的压力损失特性。采用数值模拟方法，对不同构型热交换器的再生湍流度进行了模拟和分析。研究结果表明，椭圆管翅片式与板翅式换热器对湍流流动的整流效果有明显差异。椭圆管翅片式换热器对降低湍流度、抑制其不均匀分布的效果要优于板翅式换热器，板翅式换热器对湍流度横向分量的整流效果较好，板翅式换热器的再生湍流度约为管翅式换热器的30%~40%。研究结果可为高流场品质要求的大型连续式风洞换热器的选型及优化提供参考。     

跨声速风洞中轴探管的应用

以气动中心0.6m×0.6m连续式跨超声速风洞为试验平台,开展了轴探管不同开孔型式、不同长度及不同安装方位对测试结果的影响研究。测试结果表明:对称开孔型式轴探管测量结果普遍优于交错开孔型式;当试验马赫数小于1.0时,短轴探管测试结果与长轴探管相当,但当试验马赫数不小于1.0时,短轴探管头锥对测试结果影响较大;当试验马赫数小于1.0时,轴探管测孔加工质量的一致性对测试结果有显著影响。      

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...     

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.     

连续式跨声速风洞试验段降噪技术

利用中国空气动力研究与发展中心（CARDC） 0.6 m连续式跨声速风洞试验平台,分析了试验段噪声源产生及回路传播的机理,对压缩机尾罩和第四拐角段进行声学处理以降低来流噪声,并采用风洞二喉道节流状态运行抑制试验段下游噪声的前传,有效屏蔽了回路噪声对试验段的影响。据此开展了试验段不同通气壁型式、不同设计参数的主动降噪方案优化设计及其对比试验研究,获取了较优的试验段壁板设计方案,最终实现了风洞试验段气流压力脉动系数低于0.8%的噪声设计指标要求。      

超声速喷管性能优化研究与应用

基于重启全局最优化方法和高斯过程（GP）模型，以模型区流场指标为优化目标，对超声速喷管型面进行优化设计。给出0.6m连续式跨声速风洞流场测试结果，提出优化问题并验证了CFD计算的有效性。利用拥挤距离来控制重启局部优化算法的位置，实现更高效的重启全局最优化算法；利用高斯过程模型对喷管设计参数与模型区流场性能指标的关系进行建模，构造替代数学模型来执行优化搜索，以减少实际的CFD评估次数。结果表明:该方法能以较小的代价实现对喷管性能的优化，模型区马赫数方均根偏差由0.012降到0.001，马赫数梯度由0.049降到0。