Ludwieg管向超声速流域拓展的设计技术

Ludwieg管风洞能低成本、高效率地产生低湍流度的高超声速气流,被广泛用于高超声速(马赫数6及以上)基础空气动力学实验研究。尽管Ludwieg管式高超声速风洞逐渐普及,但是基于Ludwieg管风洞管原理建设的超声速风洞并不多见,制约了实验人员对超声速空气动力学问题的研究。本文以拓展德国不伦瑞克工业大学马赫数6Ludwieg管风洞到马赫数3流域为例,详细介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的设计技术。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞在传统Ludwieg管风洞的结构基础上额外引入一个Laval喷管(第一段Laval喷管)和稳定段,并重新设计试验段对应的Laval喷管(第二段Laval喷管),最终获得超声速流动。文章首先介绍了串列式喷管Ludwieg式超声速风洞的空气动力设计原理;之后分别介绍了不同部件在这种风洞上的优化设计方法;最后,针对这种风洞的独特设计特点,对其将来的发展方向以及科研应用背景进行了展望。串列式喷管Ludwieg式超声速风洞基于常规的Ludwieg式管风洞改建而成,在继承原Ludwieg管风洞优点的同时,以极低的成本拓展了原风洞的运行速域,极其适合高校和科研机构用于开展超声速空气动力学的基础实验研究。     

燃烧加热类高超声速高温风洞流场校测与评估

为建立统一的燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质评价标准,针对国内6座不同喷管出口直径的燃烧加热类高超声速高温风洞,从统一的皮托压探针、总温探针和流场校测排架设计出发,分别研制了流场校测装置,完成了典型试验状态的流场校测试验。根据相同的数据处理和分析方法得到了相关风洞喷管出口截面的速度场、温度场及均匀区信息。6座风洞速度场均匀区直径分别对应喷管出口直径的73.3%、76.5%、75.0%、80.0%、74.7%、83.3%。根据各风洞流场校测结果,初步掌握了国内同类型风洞流场品质整体水平,提出了当前燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质参考评价指标。对于马赫数4.5~6.0的试验状态,风洞速度场均匀区直径应不小于喷管出口直径的70%,均匀区内马赫数标准偏差与平均马赫数的比值应小于2%,总温标准偏差与平均总温的比值应小于5%。     

新型液氧/空气/异丁烷燃烧加热器研制及流场校测

为了发展高流场品质、安全可靠运行的高超声速高温风洞技术,研制了一种新型的液氧/空气/异丁烷燃烧加热器。该加热器采用"气液燃烧"模式组织燃烧,考虑了均匀流场设计,并利用空气-异丁烷火炬点火器实现点火。50kg/s量级燃烧加热器点火调试表明,主气流能实现快速点火,在火炬关闭后,继续维持稳定燃烧。利用Φ1m喷管,针对马赫数6,总压6.0MPa及5.2MPa开展流场校测,结果表明燃烧加热器在喷管出口直径80%的中心区域提供均匀气流,在流场均匀区内,马赫数均方根偏差在0.05以内,总温均方根偏差在20K以内,能支撑高超声速气动及推进试验。     

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。     

一种新运行方式脉冲燃烧风洞研制及初步应用

介绍了一座喷管口径为600mm、利用氢与富氧空气混合燃烧产生高焓试验气流的脉冲风洞。风洞首次采用了活塞挤压为加热器供应燃料和路德维希管供应富氧空气的工作方式，实现了风洞试验过程中需多少燃料就供多少燃料，消除了采用路德维希管供燃料存在的弊端。自主研制的大通径快速阀取代了膜片，提高了设备运行效率。风洞在吸气式高超声速技术研究中得到了成功应用。     

2.4 m跨声速风洞壁板参数对核心流均匀性的影响

跨声速风洞试验段壁板参数多,影响规律复杂,获得壁板参数对流场均匀性的影响规律是提高设备调试质量与效率的关键途径。基于2.4 m跨声速风洞多期流场校测试验情况,以马赫数分布标准偏差为指标,汇总分析了大型跨声速风洞试验段壁板结构参数对核心流均匀性的影响规律。结果表明,核心流均匀性对试验段入口处加速区壁板开孔率特别敏感,除保证开孔率分布连续外,还应避免加速区气流的过膨胀效应。在风洞运行范围内,引射缝均发挥降低堵塞干扰的作用。     

高超声速风洞双体同步分离捕获轨迹试验技术

为了更准确地模拟质量与体积相当的高超声速飞行器多体分离过程，在国内首次研发了高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术。通过将风洞前室总温总压信号及模型天平测力信号等的数据采集、实时气动及动力学解算、上/下机构联动组合控制、上/下机构运动分配四项关键功能融为一体的设计方式，建立了Φ1 m高超声速风洞双体同步分离试验平台。结合两级入轨空天飞行器标模的多体分离特性研究，开展了马赫数6条件下典型状态的双体CTS(captive trajectory system)试验验证。验证结果表明建立的高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术较好地获得了飞行器两级分离轨迹及气动特性，纵向气动力试验精度优于4.8%、力矩优于6.2%，纵向捕获轨迹预测精度优于8.7%，可以满足高超声速飞行器两级分离过程中均有较大位姿变化的多体分离模拟。     

Φ240mm高超声速风洞扩压器设计研究

采用一维管流方法对口径为Φ240mm、马赫数6.0的自由射流高超声速风洞扩压器进行设计,运用数值模拟方法对扩压器结构形式进行了筛选,并通过试验验证扩压器设计方法的有效性。结果表明:综合考虑风洞流场品质、扩压器抗反压能力以及扩压器总压恢复等指标,确定单级15°-0.8 De扩压器方案为最优设计方案;该方案扩压器的试验与数值模拟结果吻合较好,能够使风洞正常起动,并长时间维持风洞正常运行;筛选得到的扩压器方案可用于风洞建设,其设计方法可为同类高超声速风洞扩压器的研制提供参考。     

2.4m跨声速风洞槽壁试验段调试及流场校测

介绍了新研制的2.4m跨声速风洞槽壁试验段调试情况及流场校测结果。结果表明：该试验段边界层厚度、消波特性等满足使用需求,具有较大的流场均匀区,在M数为0.30～1.00范围内的核心流场M数分布均方根偏差满足GJB1179-91高速风洞与低速风洞流场品质规范合格指标要求,部分马赫数的均方根偏差达到或接近先进指标要求,可投入型号试验。槽壁试验段的成功研制提高了2.4m跨声速风洞承担大型飞机试验任务的能力,在中国大型飞机工程气动设计中将发挥重要的平台作用。     

通气模型高超声速风洞铰链力矩试验技术研究

针对通气飞行器内外流一体化气动布局的特点,在通气模型高超声速风洞铰链力矩试验中,通过对模型进行适当改型,在保证内流道不发生壅塞、模型外部流场结构不发生改变的前提下,实现了高超声速通气模拟和模型尾支撑;通过合理设计试验装置布局、采取防隔热措施等,解决了通气模型高超声速风洞试验中内流道气动加热和舵面缝隙窜流等导致天平产生严重温度效应,舵面气动力难以精确测量的难题。在某高超声速风洞上开展的铰链力矩试验结果表明,所采用的试验技术能够实现通气模型高超声速舵面气动力特性的精确测量。     

攻角与马赫数对进气道起动影响的可比拟性

针对高速风洞变来流马赫数的能力有限,不易获得高超声速进气道起动马赫数界限的问题,本文尝试通过改变进气道模型攻角的方法来模拟来流马赫数的变化,分析定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下二元进气道起动性能之间的关系,以助于风洞实验获得进气道的起动马赫数界限。结果表明,在Ma∞=5.9来流条件下,进气道不起动和自起动的临界攻角分别在12°~13°和0°~1°。定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下,进气道不起动和自起动临界所对应的内收缩段入口马赫数基本一致。对于同一内收缩段入口马赫数,当变攻角跨度小于4°时,两种路径下进气道的内部流场与壁面压力分布规律符合较好;当变攻角跨度较大时,两者的差别也增大。对于二元高超声速进气道模型,当常规风洞的来流马赫数在进气道起动边界附近时,在一定的攻角范围内,可以尝试通过攻角机构连续改变模型安装攻角的办法来模拟变马赫数引起的进气道起动特性的演变过程。     

Φ3m高温风洞流场性能校准

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞，采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能，开展了风洞调试和流场校测试验。试验结果表明：风洞可模拟马赫数4～7、高度17～30 km飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分、时间等参数，最高总温2 335 K；风洞流场品质好、均匀区尺寸大，喷管出口均匀区尺寸达到喷管出口直径的80%以上，均匀区内马赫数和总温偏差均优于2%；流向马赫数菱形均匀区大于理论预测值，流向总温均匀区呈直筒形分布；风洞长时间运行时流场参数波动小，马赫数和总温波动均优于2%。风洞具备了开展高速飞行器空气动力学、推进、材料与结构等试验研究的能力。     

超声速/高超声速风洞试验段结构形式对流场性能的影响研究

通过求解轴对称 N-S 方程,对Φ1 m 高超声速风洞马赫数3和6状态下的流场进行了模拟,计算结果与试验数据基本一致,验证了所用数值方法的可信性。在此基础上,对比研究了马赫数3和6状态下采用闭口等直圆截面和开口自由射流两种试验段结构形式的超声速/高超声速风洞在起动条件下的稳态流场性能。结果表明：采用闭口等直圆截面试验段和开口自由射流试验段的流场均匀区内速度场性能指标均满足相关标准要求;马赫数3喷管采用闭口试验段时,沿风洞轴向-300mm-900mm 截面范围内的流场均匀区直径均保持在Φ882mm 以上,均匀区面积较开口试验段增加了约31.57%;马赫数6喷管采用闭口试验段时,均匀区面积比开口试验段仅增加了约8.24%,流场品质略为提高。超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加明显;但在高超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加比较有限。     

高马赫数多体分离试验技术研究与应用

为了给高马赫数飞行器多体分离安全评估提供有效的风洞试验预测手段,提出了Φ1m高超声速风洞多体分离试验系统研制的关键技术及解决办法。通过"风洞前室总温总压信号及模型天平测力信号等的数据采集、气动及动力学解算、机构运动控制"三位一体的设计方式,建立了Φ1m高超声速风洞多体分离轨迹捕获试验技术平台。结合高马赫数飞行器开展了马赫数5条件下的网格测力试验和典型状态的捕获轨迹系统(Captive trajectory system,CTS)试验验证。验证结果表明,研制的Φ1m高超声速风洞多体分离试验系统较好地获得了飞行器分离轨迹及气动特性,可以满足高马赫数多体分离试验的网格测力、捕获轨迹等功能需求,且在一次吹风捕获35个轨迹点的情况下,连续轨迹控制模式相较位置控制模式节约了42.5%的风洞运行时间,提高了试验效率。     

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。     

Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术

为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。     

分布式粗糙元对高超声速边界层不稳定性的影响试验

高超声速边界层转捩是空气动力学亟须研究的关键问题之一。飞行器表面的热防护系统会由于高温烧蚀产生宏观分布式粗糙元形貌,但是目前该宏观烧蚀形貌对高超声速边界层内不稳定波演化机制的影响尚不明晰。基于华中科技大学?0.5 m马赫数6 Ludwieg管风洞,利用高频压力传感器（PCB）和红外热像仪等测量手段,重点研究了分布式粗糙元布置位置和宽度对零攻角下7°半张角尖锥模型高超声速边界层不稳定波演化特征和转捩位置的影响。试验结果表明,将分布式粗糙元布置于同步点之前会促进第二模态不稳定波的演化,且越靠近前缘位置粗糙元宽度因素对下游不稳定波演化影响越小;但随其分布位置向下游移动,促进转捩作用减弱,对不稳定波的非线性交互抑制效果更为明显,转捩位置随之后移。     

马赫数连续可变跨声速湿蒸汽风洞的研制

用于跨声速气动测量的探针须从亚声速到超声速范围进行标定。变质量槽式喷管通过扩张段壁面上槽缝流出部分气流的自适应特性可在不同背压下得到不同出口马赫数,从而使标定气动探针的风洞实现马赫数从0到超声速的连续变化。为了研究采用湿蒸汽为工质的变质量槽式喷管的性能及优化其结构,采用三维犖-犛方程以及可实现犽-ε湍流模型对其进行了详细的数值仿真。结果表明收缩段型线、扩张段长度及壁槽尺寸等对喷管流场特性有重要影响,喷管进出口压比在一定范围内,槽式喷管有最优的收缩段型线、扩张段长度和开槽尺寸。根据数值仿真结果研制了马赫数从0到1．6连续可变的跨声速湿蒸汽风洞,对此风洞性能进行验证,表明该风洞在马赫数从零到超声速范围内可获得均匀、稳定的出口气流,满足跨声速湿蒸汽气动探针的标定要求。     

原子层热电堆热流传感器在激波风洞试验中的应用

高超声速边界层转捩及激波-边界层干扰等基础气动问题的风洞试验中,高频脉动热流是一重要测试量.为了验证自研的原子层热电堆热流传感器在实际风洞试验环境中的性能,利用尖锥模型在Φ2m激波风洞(FD-14A)内开展来流马赫数10、单位雷诺数4.7×106/m等流场条件下的风洞试验,并与高频脉动压力传感器对比,热流测试结果反映出...     

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。