高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)4.5噴管研制與應(yīng)用

黃颶, 楊永能, 劉奇, 楊海濱, 張偉

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

高超聲速飛行器是我國(guó)正在研制的重要武器裝備,由沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、高超聲速巡航,具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)飛行、難以攔截等優(yōu)勢(shì)。馬赫數(shù)4.5是高超聲速飛行器、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等飛行器在上升段和再入段的關(guān)鍵馬赫數(shù),也是亞燃沖壓向超燃沖壓過(guò)渡馬赫數(shù),馬赫數(shù)4.5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)飛行器研制至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)性質(zhì)的0.5 m量級(jí)高超聲速風(fēng)洞均無(wú)馬赫數(shù)4.5的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰?。在高超聲速風(fēng)洞研制馬赫數(shù)4.5噴管,可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,具有重要意義。通過(guò)馬赫數(shù)4.5噴管的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、計(jì)算驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、流場(chǎng)校測(cè)、標(biāo)模試驗(yàn),驗(yàn)證了研制的馬赫數(shù)4.5噴管流場(chǎng)滿足試驗(yàn)要求,可以為飛行器研制提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)設(shè)計(jì)采用較為成熟、可靠的特征線法。主要分為以下3步:

1) 根據(jù)等熵理想流體運(yùn)動(dòng),計(jì)算噴管的理想型面;

2) 按照氣體的黏性影響只在噴管壁面附近,計(jì)算噴管壁面的附面層位移厚度;

3) 修正噴管理想型面,給出噴管的物理型線。

馬赫數(shù)4.5噴管采用軸對(duì)稱型面噴管,噴管型面氣動(dòng)設(shè)計(jì)采取文獻(xiàn)[1-3]方法計(jì)算:在亞聲速段收縮段采用維托辛斯基方法計(jì)算;在喉道段采用3次曲線方法計(jì)算;在超聲速段采用特征線法計(jì)算,并采用Sivells-Payne方法進(jìn)行邊界層位移厚度修正。設(shè)計(jì)計(jì)算圖如圖1。

圖1 軸對(duì)稱噴管氣動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算圖

依照以上方法,表1給出了M4.5噴管型面設(shè)計(jì)計(jì)算的主要結(jié)果,T,A,B,C,D,E分別為圖1中的位置點(diǎn),X為橫坐標(biāo),Y為縱坐標(biāo),M為馬赫數(shù),T0為溫度,圖2給出了馬赫數(shù)4.5的型面曲線。

表1 M4.5無(wú)黏流型面參數(shù)主要計(jì)算結(jié)果

圖2 M4.5噴管型面曲線

2 計(jì)算驗(yàn)證

2.1 計(jì)算方法概述

本文對(duì)M4.5噴管流場(chǎng)分布特性計(jì)算采用商用Gambit軟件來(lái)生成網(wǎng)格。Gambit的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在其突出的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力和生成過(guò)程較強(qiáng)的自動(dòng)化能力,包含了數(shù)十種網(wǎng)格生成方法,能夠針對(duì)復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格,同時(shí)Gambit比較注重軟件的圖形用戶界面(GUI),交互式特點(diǎn)直觀易學(xué)。

M4.5噴管的計(jì)算網(wǎng)格見圖3,網(wǎng)格內(nèi)部間距10 mm。當(dāng)網(wǎng)格生成完畢,要定義網(wǎng)格使用范圍,并定義好邊界條件,以備FLUNET軟件計(jì)算使用。

圖3 M4.5噴管流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格

FLUENT軟件提供了從不可壓到可壓、層流、湍流等范圍很廣的模擬計(jì)算能力。軟件中輸運(yùn)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型與所模擬的幾何圖形是結(jié)合在一起的。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分,湍流會(huì)影響到其他的物理現(xiàn)象如浮力和可壓縮性。湍流模型具有很大的適用范圍,而不需要對(duì)特定的應(yīng)用做特殊調(diào)節(jié),而且它涵括了其他物理現(xiàn)象的影響,如浮力和可壓縮性。通過(guò)使用擴(kuò)展壁面函數(shù)和區(qū)域模型,對(duì)近壁面精度問題有很好的處理能力。

本文利用FLUNET軟件來(lái)模擬計(jì)算前面設(shè)計(jì)的M4.5噴管的流場(chǎng)分布。所計(jì)算噴管流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域由壁面、壓力入口條件、壓力出口條件和對(duì)稱軸所包圍的區(qū)域組成。圖4為層流模型計(jì)算殘差收斂過(guò)程圖,從圖中可以看出,計(jì)算收斂過(guò)程較快,說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算所選用模型較好。

圖4 計(jì)算殘差收斂過(guò)程

2.2 流場(chǎng)特性分析

對(duì)于高超聲速風(fēng)洞來(lái)說(shuō)速度場(chǎng)一般指噴管內(nèi)和試驗(yàn)段的馬赫數(shù)分布規(guī)律,本文主要針對(duì)速度場(chǎng),溫度場(chǎng),方向場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,目的在于檢驗(yàn)本文計(jì)算的噴管型面坐標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。

M4.5噴管的馬赫數(shù)分布見圖5,從圖中可以看出,在噴管內(nèi)和噴管出口處的馬赫數(shù)分布趨勢(shì)同設(shè)計(jì)分布一致,能得到試驗(yàn)所需的流場(chǎng)參數(shù)。

圖5 馬赫數(shù)云圖

在噴管設(shè)計(jì)方面,一般最關(guān)心的是噴管內(nèi)部和出口處的流場(chǎng)特性情況,為了更容易比較,表2利用FLUENT計(jì)算結(jié)果給出了M4.5噴管出口速度場(chǎng)指標(biāo)分析結(jié)果。從表2可以看出:在最大馬赫數(shù)偏差小于1.0%的情況下,k-ε湍流模型計(jì)算出的均勻區(qū)直徑D為0.37 m,平均馬赫數(shù)Mj-AVE為4.479,均方差σMj為0.005 3;而層流模型計(jì)算出的均勻區(qū)直徑為0.48 m,平均馬赫數(shù)為4.499,均方差為0.009;這滿足參考文獻(xiàn)[5]中規(guī)定的指標(biāo)要求,同時(shí)也符合參考文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的指標(biāo)要求。其中Mj-MAX為最大馬赫數(shù),Mj-MIN為最小馬赫數(shù),ΔMj-MAX為最大馬赫數(shù)偏差。

表2 M4.5噴管出口速度場(chǎng)分析結(jié)果

而從高超聲速風(fēng)洞現(xiàn)有的噴管流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果來(lái)分析,實(shí)際加工出的M4.5噴管的流場(chǎng)均勻區(qū)直徑在兩者之間,其為0.42 m是比較合理的,層流模型計(jì)算出的結(jié)果取均勻區(qū)直徑為0.42 m時(shí),平均馬赫數(shù)為4.500,均方差為0.006 5;這滿足參考文獻(xiàn)[5]中規(guī)定的先進(jìn)指標(biāo)要求,同時(shí)也符合參考文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的指標(biāo)要求?？梢娙绻麌姽芗庸ぐ匆筮M(jìn)行,本套M4.5噴管型面數(shù)據(jù)是符合要求的。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬赫數(shù)4.5噴管共3段,即噴管一段、噴管二段和噴管三段,噴管與噴管之間軸孔配合,外端法蘭連接,為保證噴管的氣密性要求,在噴管之間安裝有紫銅墊圈,通過(guò)螺栓壓緊紫銅,紫銅墊變形的方式實(shí)現(xiàn)噴管段的密封。噴管一段為氣體入口段,也是通過(guò)法蘭與風(fēng)洞設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接,密封方式也采用紫銅墊圈,噴管三段與風(fēng)洞設(shè)備連接采用軸孔配合的方式,配合端面采用石棉墊,端面外側(cè)通過(guò)多個(gè)壓板實(shí)現(xiàn)噴管段與風(fēng)洞設(shè)備的連接固定。其剖面圖見圖6,三維圖見圖7。

圖6 噴管剖面圖 圖7 噴管三維圖

考慮噴管實(shí)際情況,對(duì)噴管進(jìn)行強(qiáng)度校核,分別對(duì)噴管一段、二段、三段添加載荷約束后進(jìn)行計(jì)算,最后將3段裝配完成后進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖中可以看出,噴管最大應(yīng)力為28.285 MPa,計(jì)算其安全系數(shù)為:η=660/28.285≈23.33,滿足技術(shù)要求。

圖8 噴管應(yīng)力云圖

4 流場(chǎng)校測(cè)

4.1 校測(cè)方法

速度場(chǎng)校測(cè)排架呈“十”字形,共計(jì)49個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)探頭用Φ4.0 mm×1.0 mm不銹鋼管制成,為平頭型總壓探頭,伸出支架前緣50 mm,用Φ3.0 mm×0.5 mm紫銅管連接。

試驗(yàn)時(shí)總壓排架通過(guò)專用測(cè)壓支臂固定在5D機(jī)構(gòu)中部支架上,測(cè)壓管路從風(fēng)洞超擴(kuò)段專用引出口引出后,再用聚四氟乙烯軟管與Netscanner-9016電子掃描閥系統(tǒng)相連。試驗(yàn)中通過(guò)控制5D機(jī)構(gòu)的X軸來(lái)實(shí)現(xiàn)排架在噴管出口X=-0.15 m～0.40 m范圍內(nèi)運(yùn)行,從而測(cè)量出試驗(yàn)段內(nèi)不同截面的速度場(chǎng)特性。

速度場(chǎng)校測(cè)時(shí),測(cè)點(diǎn)馬赫數(shù)的得出是通過(guò)把測(cè)量出的前室總壓P01和波后總壓P02代入正激波關(guān)系式通過(guò)迭代計(jì)算得到的。正激波關(guān)系式為

(1)

式中，γ=1.4。

根據(jù)上面給出的方法,速度場(chǎng)校測(cè)時(shí)先計(jì)算出單個(gè)截面上均勻區(qū)內(nèi)馬赫數(shù)的平均值,然后利用每個(gè)單截面的計(jì)算結(jié)果就可以計(jì)算出整個(gè)流?？臻g均勻區(qū)內(nèi)的參數(shù)。

4.2 校測(cè)結(jié)果

本期速度場(chǎng)校測(cè)總壓范圍為0.3～1.5 MPa,其中P0=0.6 MPa,T0=336 K的開車條件下,排架在X=-0.15～0.40 m范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),單獨(dú)截面數(shù)據(jù)處理結(jié)果為:均勻區(qū)直徑D=0.40～0.28 m,平均馬赫數(shù)Mj-AVE=4.443～4.461,馬赫數(shù)均方差σMj=0.005～0.014,馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差εMj-MAX=0.32%～0.92%,滿足國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定的馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差≤1.0%指標(biāo)。速度場(chǎng)分布見圖9。每一條曲線中間為圖中左邊具體馬赫數(shù),相應(yīng)跳到點(diǎn)則在給出值上加減偏差小格區(qū)域的值。

圖9 速度場(chǎng)分布

取X=0.00～0.30 m、均勻區(qū)直徑D=0.40～0.31 m時(shí),空間上的數(shù)據(jù)處理結(jié)果為:軸向馬赫數(shù)梯度dM/dX=-0.040 6 m-1,平均馬赫數(shù)M-AVE=4.456,馬赫數(shù)均方差σM=0.012 2,馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差εM-MAX=0.90%,滿足國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定的馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差≤1.0%指標(biāo),可以用于型號(hào)試驗(yàn)。

取X=-0.15～0.40 m、均勻區(qū)直徑D=0.40～0.28 m時(shí),空間上的數(shù)據(jù)處理結(jié)果為:軸向馬赫數(shù)梯度dM/dX=-0.037 7 m-1,平均馬赫數(shù)M-AVE=4.456,馬赫數(shù)均方差σM=0.013,馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差εM-MAX=0.96%,滿足國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定的馬赫數(shù)最大相對(duì)偏差≤1.0%指標(biāo),但是由于在X=-0.15 m截面,偏差點(diǎn)偏大,建議不適用此截面進(jìn)行試驗(yàn),因此,馬赫數(shù)4.5噴管從X=-0.10～0.40 m截面的流場(chǎng)可用于型號(hào)試驗(yàn)。

5 模型試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)采用HB-2(Φ70)標(biāo)模進(jìn)行試驗(yàn),其外形尺寸見圖10,模型是常用的高超聲速?gòu)椀缹?dǎo)彈式導(dǎo)彈標(biāo)模,由鈍錐-柱-裙組成,頭部半徑為Rn=0.3D;底部直徑db=1.6D;長(zhǎng)度lm=4.9D,參考面積取模型中部截面積πD2/4,力矩參考長(zhǎng)度取模型中部直徑D,力矩參考點(diǎn)取模型軸線上距頭部頂點(diǎn)的1.95D處,壓心系數(shù)的無(wú)因次參考長(zhǎng)度取模型長(zhǎng)度lm,圖中D=0.07 m。零攻角時(shí)模型在風(fēng)洞中的堵塞度約為5%,滿足風(fēng)洞流場(chǎng)建立要求。試驗(yàn)時(shí),模型表面氣流流態(tài)采用自由轉(zhuǎn)捩方式進(jìn)行。

圖10 模型外形簡(jiǎn)圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)不同馬赫數(shù)的氣動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行分析,在Ma=4.46,4.95,5.96,6.97試驗(yàn)條件下的CN,在攻角-2°～2°時(shí),法向力系數(shù)CN的斜率分別為0.079 6,0.075 5,0.069 9,0.063 1,符合常規(guī)條件下的馬赫數(shù)規(guī)律。其結(jié)果圖見圖11,CA,Cm,Xcp也有同樣的數(shù)據(jù)規(guī)律。

圖11 不同馬赫數(shù)的CN分布圖

然后進(jìn)行了同期重復(fù)性試驗(yàn),表3給出了氣動(dòng)力系數(shù)的均方根誤差結(jié)果,從表可以看出,所有氣動(dòng)力系數(shù)的精度滿足國(guó)軍標(biāo)指標(biāo)要求。說(shuō)明風(fēng)洞各系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,設(shè)備運(yùn)行正常,可以開展型號(hào)、課題試驗(yàn)。其中a為攻角,σCN,σCA,σCm,σXcp分別為法向力系數(shù)、軸向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、壓心的均方根誤差。

表3 M4.5噴管重復(fù)性試驗(yàn)精度

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)4.5噴管的內(nèi)型面設(shè)計(jì)、流場(chǎng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工,最后進(jìn)行流場(chǎng)校測(cè)和模型試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:

1) 馬赫數(shù)4.5噴管的流場(chǎng)均勻性滿足GJB4399指標(biāo)要求,X=-100～400 mm的流場(chǎng)均勻區(qū)可用;

2) 從HB-2標(biāo)模數(shù)據(jù)的結(jié)果表明,馬赫數(shù)4.5與馬赫數(shù)5,6,7的測(cè)力數(shù)據(jù)規(guī)律一致,重復(fù)性精度達(dá)到GJB4399指標(biāo)要求;

3) 綜合上面結(jié)論,本文采用的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法合理,研制的馬赫數(shù)4.5噴管可投入試驗(yàn)應(yīng)用。