高焓激波风洞试验技术综述

高焓激波风洞是研究高温真实气体效应主要的地面模拟设备,基于高焓激波风洞发展的试验技术主要包括驱动技术、流场检测技术和测试技术。决定试验段所能达到的总焓和总压水平的驱动技术,主要包括变截面驱动、多段驱动、轻质气体驱动和加热轻质气体驱动;高焓激波风洞驻室温度高,导致激波管末端和喉道等内流道产生烧蚀并对流场带来污染,并且在高温条件下气体分子发生离解甚至电离,导致试验分析困难;确定试验段自由来流参数和有效时间以及污染气体推迟的流场检测技术,是开展风洞试验的前提条件;高焓激波风洞总焓和总压高,有效试验时间毫秒量级,对测试技术提出了更高的要求。本文综述相关技术的研究进展,重点介绍了气动热/气动力以及流场物理化学参数的测试技术,指出进一步的技术发展方向,以期为大型高焓激波风洞的发展与应用提供参考。     

电弧加热流场品质优化初步研究

电弧加热器可以提供马赫数10以上连续式风洞运行总温、总压的参数要求,将其用于气动力试验风洞加热器,需要对其流场品质进行优化。通过改进电弧加热器的结构和配置冷气混合室及稳定段,改善了喷管出口参数在空间分布的均匀性和时间上的稳定性,并减缓了流场气流的旋转和脉动,提高了试验参数的重复性。经初步流场测试及天平测力可行性研究表明:流场核心区的总温及皮托压力偏差小于平均值的2%,试验测力数据与常规高超声速风洞接近。     

高超声速风洞流场非均匀性对气动力试验影响研究

高超声速风洞流场品质是气动力试验主要误差的决定因素,常规高超声速风洞流场均匀性虽然满足国军标GJB4399-2002《高超声速风洞气动力试验方法》对风洞流场品质的要求,但其风洞流场严格意义上说是“非均匀”的,这种流场非均匀性会对模型气动力特性存在不同程度的影响。为此,在CARDC常规高超声速风洞中开展了某升力体模型和某通气模型“多位置试验”,验证了风洞流场的非均匀性对飞行器气动力(特别是力矩特性)试验结果有显著影响,这种影响量已远超过常规的风洞重复性试验误差,甚至大于国内现有的在AIAA-S071A-1999标准上建立的不确定度评估方法所获取的“不确定度”。     

2.4m跨声速风洞大型飞机试验不确定度评估

2.4m跨声速风洞作为中国目前唯一的大型跨声速气动力试验设备,在中国大型飞机研制中发挥着十分重要的作用。因此,对该风洞试验数据质量的评估、控制和改进提高是一项紧迫的工作。笔者通过完善不确定度计算方法、详细标定基本不确定度源和编制评估软件等工作,建立了该风洞大型飞机试验的不确定度评估方法,并对某大型飞机模型试验结果开展了具体的评估与分析,澄清了该风洞大型飞机试验数据的质量水平。     

风洞实验数据的误差及其计算方法

本文首先了研究风洞实验数据误差的意义，然后给出系统误差、随机误差、粗差及不确定度的定义，在讲述了单点测量标准差，多点测量标准差及随机不确定度计算方法之后，介绍了介绍误差的判别和风洞实验数据误差的合成，最后给出了风洞气流参数、压力系数及力系数随机误差的计算公式。     

翼型模型几何误差对气动性能影响的自动微分分析方法

基于自动微分原理和NS方程有限体积方法建立了一套翼型敏感性导数计算方法和程序,可以一次性获得翼型不同气动力系数、压力分布对模型几何外形误差的敏感性导数和不确定度。计算结果表明,在跨声速范围内,即使翼型的外形误差只有63μm(弦长1m),也可以给翼型压力分布带来0.312(以来流动压为参考)量级的不确定度,而激波处的流动最为敏感。这种自动微分方法对于分析数值模拟结果的分散性、风洞试验结果的分散性或不确定性具有很好的指导意义。     

基于符号计算的风洞试验测量不确定度评估

基于符号计算进行风洞试验测量不确定度分析可以实现实验数据处理公式及误差灵敏度系数的自动推导，采用该方法对ZSDD-1导弹标模风洞试验结果进行了定量的试验不确定度评估，计算得到的气动力系数精度极限与重复性试验得出的试验精度吻合良好，气动力系数偏离极限计算值通常是其精度极限的3-4倍，其不确定度大约是其精度极限的4倍。笔者所述分析方法和分析程序为定量评估风洞试验数据的可靠性提供了一种有效手段。     

高焓激波风洞自由流参数测量的数值重建

高焓风洞中参数测量本身受到高温非平衡效应影响,单纯依靠实验测量不足以确定详细的风洞自由流参数.本文以JF-10高焓激波风洞为背景,通过喷管-试验段-测量仪模型非平衡流场的连贯计算,开展自由流参数测量的数值重建.在比较分析测量仪模型绕流场的计算结果和实验测量值的基础上,结合喷管流场的数值模拟结果,共同确定高焓风洞的详细自由流参数.     

叶型受感部设计及结构优化

设计了用于航空发动机压气机级间参数测量的叶型受感部。通过风洞校准试验,得出在不同来流速度条件下,压力叶型受感部的不敏感角范围及总压测量误差和温度叶型受感部的总温测量误差,确定了影响叶型受感部测量准确度的主要因素。在试验结果的基础上,对叶型受感部结构进行了优化。     

高超声速流动多物理效应对美国航天飞机气动力影响研究的回顾

临近空间高超声速流动往往存在真实气体效应、稀薄气体效应和粘性干扰效应等多种复杂的物理、化学和流动现象。围绕高超声速绕流中多物理效应这一主题,对美国航天飞机高超声速气动力研究的工作按飞行前与飞行后两个阶段进行了回顾。在飞行前阶段,主要介绍了气动力外推参数的研究和不确定度研究的内容,确定了以第三粘性系数珔V'∞作为气动力特性外推参数,以及给出了气动力不确定的计算方法;而在飞行后阶段,主要介绍了飞行试验数据与预测数据的对比、纵向配平异常分析和外推方法,给出了初步的由风洞数据外推到飞行数据的外推方法,确认了真实气体效应对航天飞机气动特性影响,但是否对舵面效率产生影响没有达成一致的结论。而后,作者讨论了避免纵向配平异常的可能性、体襟翼效率数值计算与试验的差异、气动力不确定度研究和建立飞行试验/风洞试验/数值计算数据共享机制四个方面的问题。另外,早期的研究文献提到了航天飞机在再入过程中这些效应是同时存在的,在当时的研究条件下难以区分各自对气动力特性的影响,后来的研究文献也没有着力于研究其耦合影响效应对航天飞机气动力特性的影响,这为下一步研究再入飞行器高超声速绕流流动的多物理效应提供了指引。     

跨音速飞机头部进气道前空速管的气动补偿计算

现有飞机的气压高度表误差往往较大,如Ma_∞=0.9时高度误差达300m,严重影响了飞机的低空、超低空飞行。为了减小气压高度表的指示误差,通常采用补偿方法。气动补偿是有效的方法之一。 由于机头及进气道的阻塞作用,机头前方将产生一个正压场。受正压场影响,有限长空速管所测静压并非飞机所在高度的真实静压,其中包含较大的静压误差C_(pw)。气动补偿原理就是选用特定外形的补偿空速管,使气流流经静压孔时产生一定量的补偿负压     

皮托管式静压探针气动性能的CFD和试验对比研究

针对1种用于航空发动机内流道静压测量的皮托管式静压探针,通过CFD仿真计算和风洞试验对其气动性能进行对比研究。结果表明:来流速度在Ma=0.3～0.7范围内,CFD计算结果和试验结果有较高的一致性;探头上的压力系数在不同Ma下具有相同的分布规律,压力最大值出现在探头前端,最小值出现在约x_1/L=0.07处;随着Ma升高,支杆上的附面层分离点前移并导致探头上的压力系数略有增大;试验结果还表明,在x_1/L=0.1处开感压孔能够获得较高的测试精度。     

襟翼气动载荷测量方法优化

襟翼是飞机的重要增升翼面。为获取准确的襟翼气动载荷,需要在襟翼上布置测压孔并进行风洞试验。基于CFD仿真结果分析了某型襟翼压力分布规律,并基于此优化该型飞机襟翼的低速风洞试验测压孔布置方案,研究了不同插值方法对垂向力和铰链轴力矩测量结果准确性的影响。结果表明,靠近前缘处压力非线性较强,弦向比例0.15～0.3,0.3～0.5,0.5～0.8,0.8～1接近分段线性分布;对该型襟翼可取弦向比例为0.04,0.07,0.15,0.3,0.5,0.8来布置测压孔;对压力分布进行分段线性插值得到的垂向力及铰链轴力矩测量误差不高于-13%;用三次样条插值方法的误差不超过-6%,明显小于前者。提出的测压孔布置方案可显著提高襟翼低速风洞试验气动载荷测量准确性,在襟翼风洞测压试验设计及气动载荷测量领域具有一定的参考意义。     

静压源误差修正及其在大气数据计算机的应用

 静压源误差直接影响飞机战术性能的发挥,是飞机设计、大气数据计算机研制及飞行试验面临的重要课题之一。本文从工程实践角度出发,分析静压源误差及其影响因素,以及静压源误差的修正。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

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。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究（两机专刊）

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,本文对某跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况的施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

高超声速锥体表面凸起物分离干扰区气动力/热关联计算方法

针对高超声速锥体表面凸起物周围的分离干扰流动产生的气动力/热提供了关联计算方法,包括凸起物周围分离干扰区压力分布计算方法、分离干扰区几何特征的计算方法、分离干扰区附加气动力计算方法、分离干扰区气动热计算方法.对典型的钝锥加凸起物外形进行了计算,计算分析了由于凸起物周围分离干扰区压力升高引起的附加气动力、凸起物表面及干扰区的气动热,对气动热计算结果与激波风洞实验结果进行了比较,本文关联方法计算结果与实验结果符合较好.     

等离子体气动激励控制激波的实验研究

在机械式和气动式激波控制方法的基础上,提出了激波控制的等离子体气动激励方法。采用电弧放电等离子体气动激励方式,设计了电弧放电等离子体气动激励器,在小型暂冲式超声速风洞中开展了等离子体气动激励控制尖劈斜激波的实验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制激波。实验研究了磁场对激波控制效果的影响,结果表明施加磁场使得激波控制效果显著增强。从热效应机理角度出发,建立了等离子体气动激励控制激波的热阻塞模型,采用该理论模型预测的激波变化规律与实验结果一致,从而验证了热阻塞模型的合理性。由于等离子体气动激励方法具有响应迅速、控制灵活等优点,因此将成为激波控制领域一条新的有价值的技术途径。     

高超声速进气道内激波－边界层干扰研究

为了研究高超声速进气道内激波干扰和流场结构，对一个二维进气道模型在中国空气动力研究与发展中心超高速所风洞流场中进行了实验（Ｍ＿∞＝５．０，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣６ｍ￣（－１））。采用纹影方法，结合压力测量对进气道内流结构进行诊断，同时用Ｙｅｅ的ＴＶＤ有限差分格式通过求解二维Ｎ─Ｓ方程对相应实验状态下的进气道内流场进行了数值模拟。风洞实验与数值模拟取得了较好的一致。进一步的分析还表明高超声速进气道内的激波─边界层干扰对进气道性能有很大的影响。