Φ1.2 m 高超聲速風(fēng)洞引射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

馬利川，王鐵進(jìn)，崔春，黃景博，孫勇堂，黃炳修，石運(yùn)軍

中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074

0 引 言

達(dá)到風(fēng)洞啟動(dòng)壓力并維持運(yùn)行壓比是保證高超聲速風(fēng)洞正常運(yùn)行的條件之一。高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行壓比較高，試驗(yàn)段氣流通常不能直接排出洞體，需要依靠抽吸系統(tǒng)才能保證運(yùn)行所需的壓比條件[1-2]。目前，高超聲速風(fēng)洞抽吸系統(tǒng)主要有真空抽吸系統(tǒng)和引射抽吸系統(tǒng)兩種。引射抽吸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、安裝維護(hù)方便、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)洞等氣動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備中應(yīng)用較多[3-6]。為解決大型高超聲速風(fēng)洞抽吸背壓低、總增壓比高、抽吸范圍寬、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，通常需要為風(fēng)洞配置多級(jí)引射器。實(shí)現(xiàn)引射器多級(jí)串聯(lián)不是將單級(jí)引射器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而需要對(duì)多級(jí)引射器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、總體布局、運(yùn)行參數(shù)匹配、多級(jí)組合性能等進(jìn)行研究。

本文根據(jù)高超聲速風(fēng)洞抽吸需求及引射器設(shè)計(jì)工況，采用一維氣體動(dòng)力分析方法對(duì)多級(jí)多噴管中心引射器開(kāi)展性能計(jì)算與方案設(shè)計(jì)，同時(shí)開(kāi)展有/無(wú)風(fēng)洞主氣流下的引射器性能抽吸試驗(yàn)，以獲得不同級(jí)數(shù)組合與不同參數(shù)下的引射器工作性能，進(jìn)而驗(yàn)證多級(jí)多噴管中心引射器設(shè)計(jì)方法的可靠性，探索多級(jí)多噴管中心引射器級(jí)間參數(shù)匹配的主要原則。

1 多級(jí)引射器設(shè)計(jì)方法

1.1 多級(jí)引射器工作原理

目前應(yīng)用較多的引射器形式是環(huán)形引射器和多噴管中心引射器。環(huán)形引射器技術(shù)較為成熟，但引射效率不高，應(yīng)用于大型高超聲速風(fēng)洞時(shí)引射氣流消耗量大，且級(jí)數(shù)增加會(huì)造成設(shè)備規(guī)模龐大，運(yùn)行與建設(shè)成本均較高；多噴管中心引射器將引射面積分成多個(gè)小噴管，增加了引射氣流與被引射氣流的接觸面積，引射效率較高且結(jié)構(gòu)緊湊[7-9]。

單級(jí)多噴管引射器的增壓比有限，不能完全滿(mǎn)足高超聲速風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行的要求。為實(shí)現(xiàn)更大增壓比和更低抽吸背壓的目標(biāo)，需要將多個(gè)單級(jí)多噴管引射器前后串聯(lián)起來(lái)，進(jìn)一步提高多噴管中心引射器的抽吸能力。圖1 為多級(jí)多噴管引射器工作原理示意，其工作過(guò)程為：被引射氣流首先與第一級(jí)引射器的引射氣流進(jìn)行摻混，氣流經(jīng)增壓后進(jìn)入第二級(jí)引射器成為第二級(jí)被引射氣流，再與第二級(jí)引射器的引射氣流繼續(xù)混合增壓，依次工作，直到經(jīng)過(guò)多級(jí)引射器的連續(xù)混合增壓達(dá)到最終的排氣壓力要求。

圖1 多級(jí)引射器工作原理示意Fig. 1 Schematic of multi-stage ejector working principle

1.2 引射器計(jì)算方法

引射器計(jì)算模型如圖2 所示，截面I、Ⅱ、Ⅲ分別為引射氣流截面、被引射氣流截面與混合氣流出口截面。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、絕熱且不計(jì)摩擦的情況下，假定引射器入口截面處各股氣流均勻、平直，混合氣流出口截面流場(chǎng)也是均勻的，這樣在相互作用區(qū)域的進(jìn)出口截面上可以通過(guò)一維氣體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程等基本方程來(lái)計(jì)算引射器性能[10-15]。

圖2 引射器計(jì)算模型Fig. 2 Calculation model of ejector

若被引射氣流與引射氣流為同類(lèi)氣體介質(zhì)，根據(jù)能量守恒方程，得混合氣流總溫與引射氣流總溫之比為：

當(dāng)引射氣流總壓與流量不斷增大，引射氣流在混合段內(nèi)占據(jù)的流通面積也不斷增大，使得被引射氣流在混合段內(nèi)占據(jù)的截面積達(dá)到聲速截面，引射器處于臨界狀態(tài)。在臨界截面處，有補(bǔ)充方程：

當(dāng)給定引射器幾何輪廓、被引射氣流及引射氣流相關(guān)參數(shù)時(shí)，根據(jù)式（5）、（6）可計(jì)算出引射器達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)所需的引射氣流總壓，此時(shí)引射器達(dá)到最大抽吸能力。

1.3 多級(jí)引射器設(shè)計(jì)原則

多級(jí)引射器設(shè)計(jì)過(guò)程為：根據(jù)前一級(jí)引射器的具體形式，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法計(jì)算出其混合室出口參數(shù)后，將其作為后一級(jí)引射器的被引射氣流參數(shù)，再根據(jù)后一級(jí)引射器形式及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行后一級(jí)引射器計(jì)算。影響引射器性能的關(guān)鍵參數(shù)包括串聯(lián)級(jí)數(shù)、引射馬赫數(shù)、面積比、引射噴管數(shù)量及尺寸等，在引射器設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮以下原則：

1） 給定條件下多級(jí)串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)高增壓比，但級(jí)數(shù)過(guò)高會(huì)影響級(jí)間匹配、引射效率及建設(shè)成本等?？諝庖淦鞔?lián)級(jí)數(shù)多為2～3 級(jí)，一般不超過(guò)4 級(jí)。

2） 綜合考慮引射器尺寸及效率，一般引射面積比取0.2～0.5，且引射馬赫數(shù)最好小于4，否則引射氣流易發(fā)生冷凝，影響引射效果。

3） 對(duì)于引射混合過(guò)程，噴管數(shù)量越多，混合過(guò)程越快且越均勻，但面積比一定時(shí)，噴管數(shù)量越多、口徑越小，噴管本身對(duì)超聲速氣流造成的摩擦損失越大，被引射氣流的摩擦損失增加，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度也增大。

基于BGP的二維路由協(xié)議與傳統(tǒng)BGP的信息交互過(guò)程一樣，只不過(guò)需要對(duì)信息交互報(bào)文進(jìn)行必要的擴(kuò)展，使其能夠支持二維路由相關(guān)信息的傳遞。另外為了能夠支持二維路由的增量部署，在設(shè)計(jì)BGP二維路由協(xié)議的時(shí)候，需要保證二維路由協(xié)議與傳統(tǒng)路由協(xié)議的兼容。在本文中，我們是基于MP-BGP實(shí)現(xiàn)的域間二維路由協(xié)議。

由于一維分析方法基于理想模型和相關(guān)假設(shè)進(jìn)行估算，忽略了結(jié)構(gòu)形式對(duì)混合效率的影響，因此在引射器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮一定的調(diào)節(jié)余量。通常通過(guò)引射氣流總壓調(diào)節(jié)范圍來(lái)保證調(diào)節(jié)余量。

2 多級(jí)多噴管引射器設(shè)計(jì)方案

2.1 風(fēng)洞抽吸需求

根據(jù)Φ1.2 m 高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力要求，引射器系統(tǒng)主要為不同馬赫數(shù)（Ma=5～8） 噴管在前室總壓0.1～8.0 MPa 范圍內(nèi)提供相應(yīng)的抽吸壓力條件，風(fēng)洞典型運(yùn)行工況參數(shù)如表1 所示。通過(guò)對(duì)表1 中風(fēng)洞典型運(yùn)行工況的氣動(dòng)計(jì)算，得出風(fēng)洞運(yùn)行壓比（前室總壓與抽吸背壓之比）范圍為40～235；取風(fēng)洞洞體排氣出口壓力為105 kPa，主氣流順利排出風(fēng)洞洞體所需的總增壓比為3.1～87.5。選定Ma=7.0、來(lái)流總壓0.2 MPa 的運(yùn)行工況為引射器設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)，其他馬赫數(shù)下的低壓工況為設(shè)計(jì)校核點(diǎn)。

表1 風(fēng)洞典型運(yùn)行工況Table 1 Typical operating conditions of wind tunnel

2.2 引射器氣動(dòng)輪廓設(shè)計(jì)

Φ1.2 m 高超聲速風(fēng)洞需要引射系統(tǒng)最大增壓比達(dá)到 87.5，而單級(jí)引射器增壓比的合理取值不宜大于6，故需要采用三級(jí)引射器串聯(lián)。經(jīng)綜合比較，為提高引射性能、縮短混合長(zhǎng)度和降低設(shè)備總體規(guī)模，確定選用基于等面積混合的三級(jí)多噴管中心引射器方案。通過(guò)計(jì)算，選取Φ1.2 m 高超聲速風(fēng)洞三級(jí)多噴管引射器設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)及設(shè)計(jì)校核點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 引射器設(shè)計(jì)參數(shù)選取Table 2 Design parameters of the ejector

3 引射器抽吸試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

圖3 引射器氣動(dòng)輪廓Fig. 3 Aerodynamics scheme of the ejector

圖4 引射器試驗(yàn)壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig. 4 Arrangement of pressure measuring points for ejector test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 無(wú)主氣流抽吸試驗(yàn)結(jié)果

在關(guān)閉高溫高壓截止閥及試驗(yàn)段艙門(mén)的情況下，測(cè)試了無(wú)風(fēng)洞主氣流時(shí)的引射器抽吸性能，包括單級(jí)引射器性能試驗(yàn)、任意兩級(jí)引射器組合性能試驗(yàn)和三級(jí)引射器串聯(lián)組合性能試驗(yàn)。通過(guò)改變各級(jí)引射器的引射氣流總壓，測(cè)試不同級(jí)間工作參數(shù)匹配對(duì)引射器綜合性能的影響。通過(guò)引射器控制系統(tǒng)控制各級(jí)引射器進(jìn)氣管路上的液動(dòng)調(diào)壓閥門(mén)行程，實(shí)現(xiàn)各級(jí)引射氣流總壓的調(diào)節(jié)。

圖5 為單級(jí)引射器運(yùn)行情況下試驗(yàn)段靜壓隨引射氣流總壓的變化曲線(xiàn)。結(jié)果表明：隨著各級(jí)引射器引射總壓的增大，試驗(yàn)段艙內(nèi)壓力均逐漸下降；但引射總壓增大到一定程度后，各級(jí)引射器均會(huì)達(dá)到最大抽吸能力。由圖5 可知：第三級(jí)引射器單獨(dú)工作時(shí)的最大抽吸能力約為5300 Pa，當(dāng)引射總壓超過(guò)1.25 MPa 后，試驗(yàn)段靜壓變化趨于平緩，抽吸能力不再明顯提升。這表明隨著引射氣流總壓的升高，引射流量增大，被引射氣流在混合段內(nèi)占據(jù)的流通截面不斷變小，導(dǎo)致被引射流量不再增加而發(fā)生流動(dòng)堵塞。同時(shí)，在相同引射氣流總壓下，第一、二、三級(jí)引射器的引射能力逐級(jí)增強(qiáng)，這是由于在相同引射氣流總壓下，后一級(jí)引射器引射流量比前一級(jí)引射器的引射流量更大，從而引射了更多的被引射氣流，提高了引射器的抽吸能力，使得試驗(yàn)段靜壓更低。

圖5 單級(jí)引射器抽吸壓力隨引射總壓變化曲線(xiàn)Fig. 5 Variation curve of suction pressure with ejection total pressure of single-stage ejector

圖6、7 分別給出了單級(jí)引射器增壓比隨引射流量變化及增壓比隨膨脹比的變化情況。隨著引射壓力增高，引射流量增大，第一、二、三級(jí)引射器的增壓比和膨脹比均不斷增大。由于盲抽時(shí)被抽吸量相對(duì)于引射流量為小量，引射系數(shù)隨著膨脹比和增壓比的增大迅速降低。由于引射面積比α和引射馬赫數(shù)均不變，隨著引射器膨脹比的增大，增壓比近似呈線(xiàn)性關(guān)系增大，這與式（3）中增壓比與膨脹比的理論計(jì)算關(guān)系一致。

圖6 單級(jí)引射器增壓比隨引射流量變化曲線(xiàn)Fig. 6 Variation curve of pressure radio with ejection flow of singlestage ejector

為測(cè)試兩級(jí)引射器組合性能，分別開(kāi)展了第一、二級(jí)組合，第一、三級(jí)組合，第二、三級(jí)組合工作時(shí)的引射器抽吸性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，固定所選兩級(jí)引射器中某一級(jí)的引射氣流總壓，改變另一級(jí)引射器的引射氣流總壓，研究不同引射工作參數(shù)匹配下的引射器工作性能，圖8 為兩級(jí)引射器組合工作時(shí)的抽吸能力。

圖7 單級(jí)引射器增壓比與膨脹比的關(guān)系Fig. 7 Relationship between pressure ratio and expansion ratio of single-stage ejector

圖8 兩級(jí)組合工作引射器抽吸性能Fig. 8 Combined working suction performance of two-stage ejectors

表3 為無(wú)主氣流時(shí)三級(jí)引射器串聯(lián)工作的抽吸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著三級(jí)引射總流量增大，抽吸能力逐漸下降。值得注意的是，較低的第一、二級(jí)引射總壓反而可以達(dá)到較低的試驗(yàn)段靜壓。其主要原因是較大的前級(jí)引射流量會(huì)增大后級(jí)引射器的抽吸負(fù)荷，同時(shí)隨著總引射流量的增大，過(guò)多占據(jù)了被引射氣流在混合段內(nèi)的流通面積，導(dǎo)致被引射流量不能繼續(xù)增大甚至?xí)p少，引射效果也隨之不升反降。

表3 三級(jí)引射器同時(shí)串聯(lián)工作的抽吸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Suction test results of three-stage ejectors working together

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若某一級(jí)引射器引射壓力選取不合適，會(huì)造成前后級(jí)引射器工作壓力不匹配，導(dǎo)致前后級(jí)引射器氣流混合過(guò)程中出現(xiàn)激波等流動(dòng)損失，嚴(yán)重影響多級(jí)引射器組合的引射效果，也會(huì)造成引射氣流能量的極大浪費(fèi)。如表3 所示，工況1、5 均出現(xiàn)了第二、三級(jí)以及第一、二級(jí)引射壓力極不匹配的情況，使得某級(jí)引射器未達(dá)到增壓效果。

當(dāng)三級(jí)引射器同時(shí)串聯(lián)工作，第一、二、三級(jí)引射氣流總壓分別為0.4 、0.6 和1.0 MPa時(shí)，試驗(yàn)段靜壓最低可達(dá)到660 Pa，此時(shí)第一、二、三級(jí)引射器的各級(jí)增壓比分別為1.3、1.7 和3.2。因此，當(dāng)三級(jí)引射器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，為保證較優(yōu)的引射壓力匹配以獲得較高的引射效率與較低的抽吸壓力，前級(jí)引射器引射氣流總壓不宜過(guò)大，第一、二、三級(jí)引射氣流總壓應(yīng)逐級(jí)增大。

3.2.2 有主氣流的抽吸試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試多級(jí)引射器在風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的工作性能，在風(fēng)洞流場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中對(duì)三級(jí)多噴管中心引射器系統(tǒng)進(jìn)行了有主氣流情況下的抽吸試驗(yàn)。引射系統(tǒng)工作參數(shù)由高超聲速風(fēng)洞啟動(dòng)壓力比估算確定，風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)要求 Ma 為5～7 的噴管對(duì)應(yīng)氣流總壓范圍為1～5 MPa。根據(jù)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果，僅啟動(dòng)第三級(jí)引射器即可滿(mǎn)足風(fēng)洞運(yùn)行壓比要求。

圖9 給出了第三級(jí)引射器在不同馬赫數(shù)、不同來(lái)流總壓下的引射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，其中工況1～6 分別對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)為5、6、7 時(shí)在兩個(gè)不同前室總壓下的運(yùn)行工況。從圖9 可以看出：除了工況2、4 的引射系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果比引射器實(shí)際工作的引射系數(shù)稍高外，總體上引射系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果與引射器實(shí)際工作性能基本吻合。產(chǎn)生偏差的原因可能是為了保證風(fēng)洞快速啟動(dòng)及引射總壓穩(wěn)定控制，實(shí)際第三級(jí)引射總壓為以0.1 MPa 為階梯給定引 射 壓力（工況2 為p′03=0.9 MPa，工 況4 為=1.0 MPa），使得實(shí)際引射氣流總壓較理論計(jì)算值（工況2 理論計(jì)算值為p′03=0.71 MPa、工況4 理論計(jì)算值為p′03=0.91 MPa）偏高，導(dǎo)致引射流量額外增加，從而降低了引射器實(shí)際工作的引射系數(shù)。

圖9 引射器帶主氣流時(shí)實(shí)際引射性能與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 9 Comparison between actual ejector performance and theoretical calculation results with main air flow

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)Φ1.2 m 高超聲速風(fēng)洞引射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及抽吸試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1） 采用一維氣體動(dòng)力分析方法對(duì)多級(jí)多噴管中心引射器開(kāi)展設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要綜合考慮串聯(lián)級(jí)數(shù)、引射馬赫數(shù)、引射面積比、引射噴管數(shù)量及尺寸等關(guān)鍵參數(shù)的影響。本文給出了相關(guān)設(shè)計(jì)選取原則。

2）通過(guò)無(wú)主氣流時(shí)的引射器實(shí)際性能抽吸試驗(yàn)，獲得了引射器多級(jí)組合工作的抽吸性能，總結(jié)分析了多級(jí)多噴管引射器的級(jí)間參數(shù)匹配原則。當(dāng)三級(jí)引射器同時(shí)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，前級(jí)引射氣流總壓不宜過(guò)大，且第一、二、三級(jí)引射氣流總壓應(yīng)逐級(jí)增加，才能保證較優(yōu)的引射壓力匹配，獲得較高引射效率與較低抽吸壓力。

3）有主氣流時(shí)的引射器引射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好，表明本文多級(jí)引射器設(shè)計(jì)方法可行，設(shè)計(jì)結(jié)果可靠，可為高超聲速風(fēng)洞或其他地面氣動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的多級(jí)引射系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。