亞音速可調(diào)氣流溫度風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

李 勇 李國文 王為銘 趙長輝

1.中國航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽，1100342.沈陽航空航天大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，沈陽，110136

0 引言

空氣動(dòng)力學(xué)是發(fā)展航空航天技術(shù)及其他工業(yè)技術(shù)的一門基礎(chǔ)科學(xué)。風(fēng)洞作為空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究的一種工具，在氣動(dòng)力研究和飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)中一直起著非常重要的作用。為了適應(yīng)飛行器及其他具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)研究，風(fēng)洞派生出了很多種類型，如冰風(fēng)洞、傳熱風(fēng)洞、炮風(fēng)洞、大氣邊界層風(fēng)洞等。高亞音速和超聲速試驗(yàn)段氣流溫度一般比飛行器在大氣中飛行的環(huán)境溫度低很多，如果要模擬飛行器的溫度場，必須在風(fēng)洞管道中增加大功率的電加熱器。本文設(shè)計(jì)了一座溫度可控的亞音速風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，用以模擬高空高速飛行器的溫度場，以提供相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-2]。

1 氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)與性能計(jì)算

亞音速及超音速風(fēng)洞大多是暫沖式的，利用高壓氣源儲(chǔ)存的高能壓縮空氣通過一系列閥體組合達(dá)到對(duì)試驗(yàn)氣流速度的要求。氣流膨脹做功和流經(jīng)閥體時(shí)，氣流溫度勢(shì)必會(huì)急劇下降，如氣流在減壓閥后的溫度可以降到冰點(diǎn)以下，因此風(fēng)洞的試驗(yàn)段的流場溫度是隨試驗(yàn)時(shí)間延長而下降的，不能準(zhǔn)確模擬高空飛行的飛行器的流場。為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)溫度流場的要求，筆者根據(jù)氣流熱容量以及管道氣動(dòng)要求，設(shè)計(jì)了高壓氣流加熱裝置，通過可編程控制器對(duì)溫度進(jìn)行控制。

氣流模擬試驗(yàn)臺(tái)是亞音速暫沖式開口流場模擬裝置，該裝置試驗(yàn)段截面為200 mm×50 mm，為保證射流流場的均勻性和穩(wěn)定性，在噴口氣流外側(cè)裝有隔板。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)最大氣流速度不小于250 m/s，速度波動(dòng)范圍為±5%；氣流速度調(diào)節(jié)范圍為60～250 m/s；氣流溫度(靜溫)在250～300 K內(nèi)可調(diào)；試驗(yàn)段流場穩(wěn)定工作時(shí)間不小于30 s。

如圖1所示，氣源的高壓空氣經(jīng)減壓閥、加熱器、調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)定段和收縮噴管噴出，形成高速氣流。氣源由空氣壓縮機(jī)、過濾器、干燥器、儲(chǔ)氣罐等組成?？紤]系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)間要求和安全性，氣源最高工作壓力為6 MPa?？諝鈮嚎s機(jī)的公稱容積流量為5 m3/min。干燥器為無熱再生吸附式干燥器，干燥后空氣的露點(diǎn)溫度可達(dá)-25 ℃。

1.空氣壓縮機(jī) 2.截止閥 3.干燥器 4.單向閥 5.A級(jí)過濾器6.儲(chǔ)氣罐 7.安全閥 8.壓力傳感器 9.溫度傳感器 10.排污閥 11.氣動(dòng)球閥 12.減壓閥 13.安全閥 14.電加熱器 15.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 16.總壓傳感器 17.穩(wěn)定段及噴管 18.試驗(yàn)段 19.消聲器 20.溫度傳感器圖1 系統(tǒng)氣動(dòng)加熱方案Fig.1 System aerodynamics calefaction project

來自氣源的高壓氣體經(jīng)過減壓閥，壓力降為0.45 MPa之后，流經(jīng)加熱器以提高溫度，氣流流量由電動(dòng)式調(diào)節(jié)閥控制。為延長有效穩(wěn)定工作時(shí)間，采用預(yù)置調(diào)節(jié)閥開度的控制方式來縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。氣動(dòng)球閥執(zhí)行器要求氣源壓力為0.5～0.8 MPa，采用高壓氣瓶減壓供氣(空氣或氮?dú)?。減壓閥后方有設(shè)定壓力為0.5 MPa的安全閥，保證系統(tǒng)的安全性。電加熱器的控制器以出口溫度為控制目標(biāo)對(duì)加熱功率自動(dòng)調(diào)節(jié)。

氣源設(shè)計(jì)參數(shù)按最大氣流速度250 m/s、噴管出口流通截面積、氣流狀態(tài)參數(shù)、穩(wěn)定工作時(shí)間要求等條件計(jì)算對(duì)氣源的排氣壓力、儲(chǔ)氣罐容積、加熱器功率等參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)

2 流場與溫度場數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 控制方程

本文研究的亞音速風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)為開口射流風(fēng)洞，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為250 m/s，且考慮氣體的壓縮性。計(jì)算中應(yīng)用如下方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中，ρ為流體密度；t為時(shí)間；u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向的分量。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中，u為速度矢量；τxx、τyx、τzx分別為因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面的黏性應(yīng)力分量；Fx為微元體上的體力。

可實(shí)現(xiàn)k-ε模型中，k和ε的方程分別為

(3)

(4)

式中，Sk、Sε為用戶自定義的源項(xiàng)；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，對(duì)于不可壓流體，YM=0；C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為k和ε的湍流Prandtl數(shù);μ為運(yùn)動(dòng)黏系數(shù);μτ為湍流黏系數(shù)；ν為動(dòng)力黏性系數(shù)；C1、C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；E為湍流動(dòng)能。

2.2 計(jì)算條件

計(jì)算所使用的計(jì)算機(jī)硬件資源為高性能計(jì)算集群。計(jì)算速度可達(dá)20 G Flops(每秒200億次浮點(diǎn)運(yùn)算)，配置4臺(tái)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，共16個(gè)CPU(Xeon 3 GHz)，內(nèi)存總計(jì)20 GB，磁盤總?cè)萘?.28 TB。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置nVidia Quadro4 900XGL圖形卡和千兆網(wǎng)卡。計(jì)算時(shí)將計(jì)算域分成16個(gè)區(qū)，16個(gè)CPU并行求解，一次作業(yè)求解時(shí)間約0.5 h。

2.3 計(jì)算域及邊界條件

計(jì)算域(圖2)以穩(wěn)定段入口為遠(yuǎn)流場入口，試驗(yàn)段出口為流量出口。計(jì)算域包括對(duì)試驗(yàn)件區(qū)域的影響，將射流的自由流一側(cè)的計(jì)算域擴(kuò)大到噴嘴厚度的5倍左右[3-6]。

圖2 計(jì)算域 Fig.2 Computed field

以試驗(yàn)臺(tái)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速250 m/s為計(jì)算條件。入口邊界為質(zhì)量流量進(jìn)口(mass flow rate)；出口邊界為壓力出口(pressure outlet)；壁面為無滑移壁面(WALL)；內(nèi)部介質(zhì)(流體)為空氣；噴管入口總溫為300 K。從噴管出口開始,沿氣流流動(dòng)方向距離出口距離d為20 mm、60 mm、100 mm、160 mm、200 mm分別取5個(gè)截面，由于試驗(yàn)段一邊是壁面，一邊是自由邊界，因此沿壁面垂直高度h取100 mm。

2.4 計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)段為開口射流試驗(yàn)段。雖然在試驗(yàn)段為防止氣流與外界低能流過分摻混，設(shè)置了導(dǎo)流平板，但開口流場勢(shì)必與外界低能流進(jìn)行劇烈的摻混，隨著主流在軸向的延伸，氣流邊界損失越來越大。由圖3可以看出，在軸向距離d=100 mm時(shí)，主流已經(jīng)減小到原來的70%。這與溫度場是相對(duì)應(yīng)的，見圖4。計(jì)算結(jié)果表明，從噴口到下游160 mm范圍內(nèi)，軸向距離有約40mm的速度均勻區(qū)和溫度均勻區(qū)，可以達(dá)到小型試驗(yàn)件的試驗(yàn)條件，因此噴管和試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足對(duì)流場和溫度場指標(biāo)的要求。

圖3 不同軸向位置的速度分布Fig.3 Velocity distributing of different axis position

圖4 不同軸向位置的靜止溫度分布Fig.4 Stillness temperature distributing of different axis position

3 控制及測(cè)量系統(tǒng)

氣流模擬試驗(yàn)臺(tái)是一座暫沖式亞音速試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)要求對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并在穩(wěn)定的風(fēng)速下完成試驗(yàn)段流場參數(shù)的測(cè)量，完成對(duì)氣流的加熱控制，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)基本參數(shù)(氣罐溫度、壓力，氣流總溫、靜溫、總壓、減壓閥后調(diào)節(jié)壓力等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成以NI工業(yè)控制機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集、控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)軟件基于LabVIEW軟件平臺(tái)編制，實(shí)現(xiàn)模擬器吹風(fēng)過程中的風(fēng)速控制、氣流溫度調(diào)節(jié)、流場參數(shù)測(cè)量采集和數(shù)據(jù)處理?？刂瞥绦蛄鞒桃妶D5。

4 速度場及溫度測(cè)量

4.1 速度場測(cè)量

在風(fēng)洞試驗(yàn)段安裝的試驗(yàn)件上沿軸向及試驗(yàn)件中心點(diǎn)的垂直方向十字線間隔40 mm設(shè)置9個(gè)靜壓測(cè)點(diǎn)，利用穩(wěn)定段測(cè)量的總壓，根據(jù)下式

(5)

式中，p0為大氣壓；pi為測(cè)點(diǎn)i的壓力，i=1,2,…,9。

計(jì)算試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)i的馬赫數(shù)分布[7]。

由圖6(設(shè)定調(diào)節(jié)速度Ma=1.0)、圖7(設(shè)定調(diào)節(jié)速度Ma=0.3)可以看出，試驗(yàn)件表面速度場分布比較均勻，滿足試驗(yàn)流場條件。

4.2 溫度測(cè)量

設(shè)定試驗(yàn)段速度250 m/s，測(cè)量溫度隨時(shí)間的變化，如圖8所示。由圖8可以看出，由于對(duì)氣流進(jìn)行了加熱控制，雖然氣流持續(xù)膨脹，但氣流總溫基本不變，試件表面溫度變化不大，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)符合，滿足試驗(yàn)要求，原加熱器設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)參考數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)制作的射流風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)的射流流場比較均勻，品質(zhì)優(yōu)良。

圖5 程序流程圖Fig.5 program flow chart

圖6 測(cè)點(diǎn)速度曲線(Ma=1.0)Fig.6 Velocity field curve(Ma=1.0)

圖7 測(cè)點(diǎn)速度場曲線(Ma=0.3)Fig.7 Velocity field curve(Ma=0.3)

1.試件表面溫度 2.罐內(nèi)溫度 3.加熱器出口溫度 4.總溫圖8 溫度測(cè)量變化曲線Fig.8 Temperature change curve

(2)該試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)具有溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的功能，而且調(diào)節(jié)響應(yīng)快。

(3)氣流模擬試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)段溫度可調(diào)節(jié)控制?？删幊炭刂破骺梢詫?shí)現(xiàn)250～300 K的任意溫度。流場溫度具有穩(wěn)定性，不隨氣流的膨脹而產(chǎn)生劇烈的變化。