大型低速翼型風(fēng)洞側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)研制

惠增宏，張傳俠，柳 雯

（西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

大型低速翼型風(fēng)洞側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)研制

惠增宏，張傳俠，柳 雯

（西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

介紹了NF－3大型低速翼型風(fēng)洞多噴嘴級(jí)聯(lián)吹氣側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能和性能，采用側(cè)壁吹氣方案并使用增量式PID控制算法進(jìn)行氣源壓力的控制，對(duì)具有增升裝置的GAW－1翼型進(jìn)行了側(cè)壁邊界層吹除試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）使用側(cè)壁吹氣系統(tǒng)后翼型模型中間截面最大升力系數(shù)由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%，且模型端面截面的升力系數(shù)與中間截面的升力系數(shù)基本上相等；（2）利用增量式PID控制算法對(duì)氣源壓力的精確控制較好地完成了風(fēng)洞側(cè)壁吹氣功能，改善了翼型表面流動(dòng)，減小了側(cè)壁邊界層對(duì)翼型試驗(yàn)結(jié)果的影響。

翼型；風(fēng)洞；側(cè)壁邊界層；控制系統(tǒng)；PID控制

0 引 言

翼型模型風(fēng)洞試驗(yàn)不僅受洞壁干擾影響，也要受風(fēng)洞側(cè)壁邊界層的影響。風(fēng)洞試驗(yàn)段口徑越小，側(cè)壁邊界層越厚，側(cè)壁效應(yīng)影響就越嚴(yán)重。這種影響主要表現(xiàn)在隨著迎角增大，模型和側(cè)壁相交處的邊界層分離區(qū)會(huì)沿展向以約45°角向模型中間剖面擴(kuò)展，影響翼型的繞流特性，致使翼型模型的升力系數(shù)降低，因此對(duì)風(fēng)洞側(cè)壁邊界層進(jìn)行適當(dāng)控制是十分必要的。

側(cè)壁邊界層控制一般采用吹氣和吸氣兩種方式。由于氣體的可壓縮性、閥的非線性以及負(fù)載容腔內(nèi)壓力變化的不均勻性等特點(diǎn)，都給側(cè)壁邊界層控制帶來了困難?？刂葡到y(tǒng)的性能直接決定能否進(jìn)行側(cè)壁吹氣及吹氣的穩(wěn)定性，同時(shí)氣壓的精密控制也影響著試驗(yàn)的結(jié)果。運(yùn)用輸出增量式PID（Proportional－比例、Integral－積分、Derivative－微分）控制算法自動(dòng)控制氣源閥門的開度及流量，進(jìn)而控制吹氣縫出口吹氣量的大小，在一定程度上減小了閥門的時(shí)滯性和非線性對(duì)控制結(jié)果的影響，為采用高壓氣源的精確控制提供了可能。

針對(duì)西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室NF－3大型低速翼型風(fēng)洞（二維試驗(yàn)段高×寬×長＝3.0m×1.6m×8.0m，最大風(fēng)速130m／s）研制了側(cè)壁邊界層吹氣控制系統(tǒng)，并采用GAW－1翼型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)（如圖1）主要包括吹氣控制系統(tǒng)、上下轉(zhuǎn)盤同步控制系統(tǒng)和密封系統(tǒng)3大部分。吹氣控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣源壓力和電氣比例閥的精確控制，保證吹氣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；上下轉(zhuǎn)盤同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上下轉(zhuǎn)盤的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，避免了上下轉(zhuǎn)盤不同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)翼型造成的剪切應(yīng)力；密封系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)盤門與風(fēng)洞之間的密封，防止了洞體內(nèi)的氣體泄漏。

圖1 側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The function diagram of sidewall boundary layer control system

高壓氣源經(jīng)截止閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制后，送入風(fēng)洞二維試驗(yàn)段的穩(wěn)壓罐中。在穩(wěn)壓罐上開4路主干路氣路，穩(wěn)壓后的氣體經(jīng)4個(gè)電氣比例閥和氣控比例閥控制后，分為8個(gè)支路，分別送到翼型側(cè)壁前、中、后3組穩(wěn)壓盒中進(jìn)行穩(wěn)壓，最后氣流通過3組吹氣縫對(duì)側(cè)壁邊界層進(jìn)行吹除。為了避免翼型上下表面壓力差造成不必要的串流，中縫穩(wěn)壓盒在中間隔斷，分為上、下翼面吹氣縫。

2 吹氣控制系統(tǒng)

吹氣控制系統(tǒng)包括氣源壓力控制系統(tǒng)和電氣比例閥控制系統(tǒng)。

2.1 氣源壓力控制系統(tǒng)

氣源壓力控制系統(tǒng)選用日本SMC公司的氣動(dòng)元件組建，以滿足吹氣縫壓力控制的需要。系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓罐、電磁閥、大流量型空氣過濾器、過濾減壓閥、電氣比例閥、氣控比例閥、手動(dòng)減壓閥、壓力傳感器等硬件組成，其控制原理圖如圖2所示。其中：

（1）4個(gè)電磁閥（型號(hào)－VP3185V－20）安裝于穩(wěn)壓罐4個(gè)出氣口后，實(shí)現(xiàn)對(duì)干路壓縮氣體的通斷控制。

（2）4個(gè)氣控比例閥（型號(hào)－VEX1900－20）安裝于干路電磁閥后端，這種閥門屬于大流量精密減壓閥，其受壓部分使用平衡座閥式閥芯，可以得到很大的輸出流量和溢流流量。

（3）4個(gè)電氣比例閥（型號(hào)－ITV2050－312S）控制氣控比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)干路壓縮氣體的比例控制。

（4）壓力傳感器安裝于吹氣支路的末端，實(shí)現(xiàn)對(duì)支路氣體壓力的測量，并將壓力信息傳遞給計(jì)算機(jī)，以便使計(jì)算機(jī)對(duì)輸出壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 氣源壓力控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 The function diagram of pneumatic pressure control system

2.2 電氣比例閥控制系統(tǒng)

電氣比例閥控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、D／A模塊、電氣比例閥、壓力傳感器、多通道顯示控制器等元器件組成，其控制原理圖如圖3。

圖3 電氣比例閥控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 The function diagram of electro－pneumatic proportional pressure valve control system

給定控制系統(tǒng)一輸入，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器測得的吹氣縫出口壓力，經(jīng)過控制算法運(yùn)算，得到一個(gè)輸出控制增量，經(jīng)D／A模塊轉(zhuǎn)換后作用在電氣比例閥上。比例閥根據(jù)信號(hào)壓力的大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)氣流流量的目的，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以滿足吹氣縫吹氣的需要。

增量式PID控制算法具有誤動(dòng)作時(shí)影響小，手動(dòng)／自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果等優(yōu)點(diǎn)；另外結(jié)合電氣比例閥利用輸入增量來執(zhí)行閥門開度的特性，故NF－3風(fēng)洞電氣比例閥控制系統(tǒng)選擇了增量式PID控制算法。

電氣比例閥最高使用壓力1.0MPa，最低使用壓力0.05MPa；工作過程中，線性度保持在±1%FS（相對(duì)滿量程誤差）以內(nèi)，遲滯0.5%FS，重復(fù)精度優(yōu)于±0.5%FS。

2.3 控制模型

根據(jù)NF－3風(fēng)洞的具體結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)轉(zhuǎn)盤門分別安裝在風(fēng)洞的頂部和底部，轉(zhuǎn)盤門采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其角行程分別為±180°，旋轉(zhuǎn)角速度為1°／s＜ω＜2°／s，上下轉(zhuǎn)盤門同步精度優(yōu)于±3′。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3組吹氣縫（如圖4），并采用吹氣縫與轉(zhuǎn)盤門分離的結(jié)構(gòu)形式，這樣可以更換不同的吹氣縫，以滿足不同試驗(yàn)的需要。

圖4 吹氣縫位置示意圖Fig.4 The location of blowing slot

在機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足要求的情況下，上下轉(zhuǎn)盤同步控制系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，通過開關(guān)量輸入輸出模塊對(duì)轉(zhuǎn)盤門上的各種開關(guān)狀態(tài)量及開關(guān)控制量（正負(fù)限位，零位等）進(jìn)行控制或監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互及運(yùn)動(dòng)控制工作。由用戶輸入控制量發(fā)給控制系統(tǒng)中的主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)生成可執(zhí)行的命令，經(jīng)D／A模塊轉(zhuǎn)換后控制交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。交流伺服電機(jī)可通過反饋系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤門的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于交流伺服電機(jī)具有定位精度高、可自鎖等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的控制精度。

根據(jù)氣體壓力控制系統(tǒng)的輸入輸出特性，可以用簡化的一階模型來代替復(fù)雜的三階模型，簡化的一階模型可用如下一階加滯后傳遞函數(shù)模型來近似，即

式中：τ為等效純滯后時(shí)間；TS為等效時(shí)間常數(shù)；K為靜態(tài)增益。

電氣比例閥為一種氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器或閥門定位器輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，這個(gè)被控對(duì)象優(yōu)化后的傳遞函數(shù)經(jīng)過辨識(shí)可以表示為：

模型試驗(yàn)使用具有608路高精度、高速穩(wěn)態(tài)壓力測量系統(tǒng)（PSI9816）對(duì)翼型弦向和展向不同位置的表面測壓點(diǎn)和尾耙總壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。該系統(tǒng)精度優(yōu)于0.05%FS，采集速度大于100采樣點(diǎn)／秒／通道。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)帶有增升裝置的GAW－1模型進(jìn)行了吹風(fēng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證NF－3風(fēng)洞側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)的功能和性能。由于側(cè)壁邊界層吹氣控制主要影響模型表面流場，考慮到吹氣系數(shù)（λ＝qj／q，其中λ為吹氣系數(shù)，qj為吹氣縫出口動(dòng)壓，q為試驗(yàn)段自由流動(dòng)壓）直接反映吹氣控制系統(tǒng)的性能，在此主要分析在不同吹氣系數(shù)下模型的升力特性，特別是失速迎角附近的升力特性。圖5給出了襟翼偏角δf＝30°、風(fēng)速V＝10m／s、不同吹氣系數(shù)下翼型升力特性對(duì)比曲線。圖6給出了在此狀態(tài)下最大升力系數(shù)隨吹氣系數(shù)的變化曲線。可以看出，在相同的襟翼偏角和風(fēng)速下，隨著吹氣系數(shù)逐漸增大，翼型升力系數(shù)增加。當(dāng)吹氣系數(shù)達(dá)到一定程度（λ＝10），升力系數(shù)不再增加，反而有降低的趨勢（λ＝15），最大升力系數(shù)明顯降低，同時(shí)失速迎角提前；當(dāng)吹氣系數(shù)繼續(xù)增加（λ＝20），升力系數(shù)突然增加，而最大升力系數(shù)繼續(xù)降低，失速迎角繼續(xù)提前。說明吹氣系數(shù)過大造成吹氣縫氣流對(duì)風(fēng)洞氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，致使翼型表面的流動(dòng)更加復(fù)雜，故λ＝10為這一狀態(tài)下的最佳吹氣系數(shù)，即控制系統(tǒng)的最佳增益。

圖5 GAW－1翼型不同吹氣系數(shù)升力特性對(duì)比試驗(yàn)曲線（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.5 Comparison of CLamong different blowing coefficients on GAW－1

圖6 GAW－1翼型最大升力系數(shù)隨吹氣系數(shù)變化試驗(yàn)曲線（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.6 Variation of CLmaxwith blowing coefficient on GAW－1

為了研究展向流動(dòng)情況，分別在GAW－1模型翼展中間剖面和靠近洞壁80mm剖面各開了118和66個(gè)測壓孔，各測壓孔由紫銅管通過轉(zhuǎn)軸引出模型，連接到PSI9816壓力測量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的傳感器上。圖7給出了襟翼偏角δf＝30°、迎角α＝10°、風(fēng)速V＝10m／s、不同吹氣系數(shù)下翼型中間截面的壓力分布對(duì)比曲線，可以看出，吹氣系數(shù)（λ＝20）時(shí)主翼上表面的負(fù)壓明顯大于不吹氣狀態(tài)，而且翼型前緣吸力峰值增大，說明側(cè)壁吹氣改善了翼型表面的二元流動(dòng)，推遲了邊界層的分離。圖8給出了襟翼偏角δf＝20°、風(fēng)速V＝15m／s、不同吹氣系數(shù)、不同截面下的升力特性對(duì)比曲線。從圖8中可以看出，在不進(jìn)行側(cè)壁吹氣的情況下，中間截面的升力系數(shù)大于端面截面；在相同的吹氣系數(shù)（λ＝13）、相同的風(fēng)速（V＝15m／s）條件下，端面截面和中間截面的升力系數(shù)有了不同程度的增加，靠近吹氣縫的端面截面增加幅度高于中間截面，而且端面截面升力系數(shù)已經(jīng)基本等于中間截面，說明側(cè)壁吹氣產(chǎn)生了明顯的效果。經(jīng)過側(cè)壁吹氣，中間截面最大升力系數(shù)由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%；端面截面由2.72增加到2.85，增加幅度4.7%。

圖7 GAW－1翼型不同吹氣系數(shù)下壓力分布對(duì)比試驗(yàn)曲線（δf＝30°，α＝10°，V＝10m／s）Fig.7 Comparison of Cpbetween different blowing coefficients on GAW－1

圖8 GAW－1翼型不同吹氣系數(shù)、截面時(shí)升力特性對(duì)比試驗(yàn)曲線（δf＝20°，V＝15m／s）Fig.8 Comparison of CLbetween different blowing coefficients and sections on GAW－1

試驗(yàn)表明，通過吹風(fēng)試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)ふ业揭硇湍Ｐ筒煌瑺顟B(tài)下的最佳吹氣系數(shù)，即側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)最佳增益，但是吹氣系數(shù)過大也會(huì)使翼型表面流動(dòng)趨于復(fù)雜化；翼型模型端面截面的升力系數(shù)基本上接近模型中間截面的升力系數(shù)，說明采用側(cè)壁吹氣方案改善了翼型表面流動(dòng)，減小了側(cè)壁邊界層對(duì)翼型試驗(yàn)結(jié)果的影響，提高了翼型的升力系數(shù)，尤其在失速迎角附近效果顯著，這與文獻(xiàn)［4］中穩(wěn)定吹氣狀態(tài)下的結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

（1）利用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)中不確定因素進(jìn)行在線補(bǔ)償，氣源壓力控制的精確度得到改善，提高了側(cè)壁吹氣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；

（2）經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證側(cè)壁吹氣改善了翼型表面流動(dòng)，減小了側(cè)壁邊界層對(duì)翼型試驗(yàn)結(jié)果的影響，說明本系統(tǒng)能夠較好的完成風(fēng)洞側(cè)壁吹氣功能，取得了良好的效果。

另外，通過對(duì)風(fēng)洞側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在今后的工作中可以在以下3方面做進(jìn)一步探討：

（1）基于現(xiàn)代控制理論，運(yùn)用不同的控制算法進(jìn)行不斷優(yōu)化，比較各種控制優(yōu)化算法的控制效果以及對(duì)模型氣動(dòng)性能的影響；

（2）研究側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)各支路單獨(dú)控制與集群控制的效果，尋找多種控制方案的最佳增益；

（3）通過試驗(yàn)確定消除或近似消除風(fēng)洞側(cè)壁邊界層影響的判定準(zhǔn)則，進(jìn)而優(yōu)化側(cè)壁邊界層控制系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整吹氣量并獲得最佳吹氣系數(shù)。

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惠增宏（1969－），男，陜西富平縣人，高級(jí)工程師，博士。研究方向：流體力學(xué)測量與控制。通訊地址：陜西省西安市西北工業(yè)大學(xué)111信箱 （710072），聯(lián) 系 電 話：029－88493775轉(zhuǎn)6201，13572282305，E－mail：huizh＠nwpu.edu.cn

The development of sidewall boundary layer control system for large airfoil low－speed wind tunnel

HUI Zeng－h(huán)ong，ZHANG Chuan－xia，LIU Wen
（National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

This paper describes the structure and the application of multi－injector blowing sidewall boundary layer control system for NF－3large airfoil low－speed wind tunnel.The sidewall boundary layer blowing experimental investigation of GAW－1airfoil with high lift device by using the method of sidewall blowing and applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure is carried out for testing the function and performance of the system.The results show that the highest lift coefficient increases by 1.8%from 2.79to 2.84on the middle section of the airfoil，and the lift coefficient of the edge section is basically equal to the middle section.It shows that the system applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure accurately has achieved the function of wind tunnel sidewall boundary layer blowing.Sidewall blowing improves the flow on the surface of airfoil and decreases the effect of sidewall boundary layer on the airfoil experiment results.

airfoil；wind tunnel；sidewall boundary layer；control system；PID control

V211.752

A

1672－9897（2012）05－0084－05

2011－08－04；

2011－12－02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2007AA05Z448）