Φ3 m 高溫風(fēng)洞流場性能校準(zhǔn)

唐志共，陳德江，朱 超，曾令國，吳錦水

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽 621000)

0 引言

高溫風(fēng)洞在高速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)[1-6]、飛行器機(jī)體推進(jìn)一體化技術(shù)[7-13]、材料與結(jié)構(gòu)[14-16]等關(guān)鍵技術(shù)研究和飛行器研制中具有重要地位。大型高溫風(fēng)洞主要分布在美國、俄羅斯等國家，其中最具代表性的大型高溫風(fēng)洞主要有：美國蘭利研究中心的8 英尺高溫風(fēng)洞[17-19]、美國阿諾德工程發(fā)展中心的氣動(dòng)與推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備（APTU）[20-22]、俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)研究院的高溫風(fēng)洞。

近幾十年來，美國對8 英尺高溫風(fēng)洞和APTU 等高溫風(fēng)洞持續(xù)進(jìn)行了大規(guī)模的性能提升，包括8 英尺風(fēng)洞的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰ν卣筟17-19]、馬赫數(shù)5 高動(dòng)壓性能拓展[23]、低馬赫數(shù)（Ma=3～5）性能提升[24-25]，APTU 的高度模擬能力提升、高總溫總壓燃燒空氣加熱器研制和馬赫數(shù)7 自由射流試驗(yàn)?zāi)芰ν卣筟14]，有力支撐了美國Falcon 組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和HyFly 計(jì)劃等先進(jìn)高速技術(shù)。為滿足我國高速技術(shù)發(fā)展，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC）自主研制建設(shè)了Φ3 m 高溫風(fēng)洞，并于2020 年形成能力。

流場性能校準(zhǔn)是評價(jià)風(fēng)洞流場品質(zhì)、衡量風(fēng)洞實(shí)際流場與真實(shí)飛行條件流場差異的重要手段，對于新建成的Φ3 m 高溫風(fēng)洞開展流場性能校準(zhǔn)十分必要。本文針對大口徑燃燒加熱類高溫風(fēng)洞的流場尺寸大、氣流總溫高、總壓高、速度快和組分復(fù)雜等特點(diǎn)，采用自主研制的大尺寸“米”字形排架對風(fēng)洞噴管出口各截面的流場進(jìn)行測量，獲得了速度、溫度的空間分布情況；采用氣流組分取樣探針獲得了關(guān)鍵點(diǎn)位的氣流組分；采用“一”字形排架多次進(jìn)出流場，獲得了風(fēng)洞長時(shí)間運(yùn)行過程中的流場性能。

1 風(fēng)洞簡介

Φ3 m 高溫風(fēng)洞是一座3 米量級暫沖型、自由射流式高溫風(fēng)洞，馬赫數(shù)模擬范圍4～7，高度模擬范圍17～30 km，最長運(yùn)行時(shí)間數(shù)分鐘，可以同時(shí)模擬真實(shí)飛行條件下的馬赫數(shù)、動(dòng)壓、總焓、氧組分等參數(shù)。

風(fēng)洞采用空氣/液氧/異丁烷三組元燃燒加熱形成高溫高壓氣流，利用拉瓦爾噴管對氣流加速，在試驗(yàn)段內(nèi)形成試驗(yàn)所需的高速氣流，為飛行器/發(fā)動(dòng)機(jī)/熱考核部件等提供所需的高焓模擬氣流，氣流經(jīng)擴(kuò)壓器減速、增壓、冷卻后進(jìn)入真空排氣系統(tǒng)，其運(yùn)行原理如圖1 所示。

風(fēng)洞由燃燒加熱器、高速噴管、試驗(yàn)段、模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)、擴(kuò)壓器、真空排氣系統(tǒng)、動(dòng)力燃料系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。風(fēng)洞包括Φ3 m 的Ma6、Ma7 和Φ2 m 的Ma4、Ma5、Ma6 噴管各一套。

圖2 Φ3 m 高溫風(fēng)洞Fig.2 Φ3 m high temperature tunnel

2 風(fēng)洞調(diào)試和流場校測方法

2.1 流場校測設(shè)備和儀器

采用測量范圍為Φ3 m 和Φ2 m 的“米”字形排架（圖3（a））分別對Φ3 m 噴管和Φ2 m 噴管進(jìn)行流場性能校測，以獲得噴管出口流場的速度、溫度的空間分布情況。在排架水平（0°）方向和豎直（90°）方向安裝皮托壓力探針，45°和135°方向安裝總溫探針。其中，Φ3 m 排架校測區(qū)域分為Φ（0～1.8 ）m 和Φ（1.8～3.0）m 兩個(gè)范圍，分別間隔120 mm 和75 mm 布置測點(diǎn)，每個(gè)梁布置30 個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)60 個(gè)皮托壓力探針和60 個(gè)總溫探針；Φ2 m 排架校測區(qū)域分為Φ（0～1.2）m 和Φ（1.2～2.0 ）m 范圍，分別間隔100 mm 和50 mm 布置測點(diǎn)，每個(gè)梁布置28 個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)56 個(gè)皮托壓力探針和56 個(gè)總溫探針，測點(diǎn)分布如圖4 所示。

圖3 流場校測排架實(shí)物圖Fig.3 Flow field calibration device

圖4 “米”字形排架測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of measuring points

采用CARDC 自主研制的探針取樣-氣相色譜分析系統(tǒng)進(jìn)行噴管出口流場的氣流組分測量[26]，在米字型排架45°和135°方向上對稱布置2 個(gè)取樣探針，測點(diǎn)位置分別為流場直徑的50%和80%處，測點(diǎn)編號為Tt5、Tt24、Tt38 和Tt37。試驗(yàn)時(shí)將采集的氣流存儲于取樣罐，試驗(yàn)后利用安捷倫7890B 氣相色譜儀分析組分，系統(tǒng)測量精度優(yōu)于5%。

采用如圖3（b）所示的“一”字形排架在風(fēng)洞長時(shí)間運(yùn)行期間進(jìn)行流場性能校測，獲得噴管出口流場速度、溫度的時(shí)間歷程情況。試驗(yàn)時(shí)利用模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)將“一”字形排架上下送入送出流場，可以規(guī)避排架總溫探針長時(shí)間工作過程中燒毀和“米”字形排架尺寸大無法退出流場等難題?！耙弧弊中闻偶茏陨舷蛳麻g隔布置壓力和溫度測點(diǎn)，頂部5 個(gè)測點(diǎn)各間隔50 mm 布置，底部最后2 個(gè)測點(diǎn)間隔70 mm 布置，最上部的測點(diǎn)距離風(fēng)洞中心255 mm。共安裝有4 個(gè)皮托壓力探針和3 個(gè)總溫探針。

在進(jìn)行風(fēng)洞流場校測時(shí)，“米”字形排架或“一”字形排架安裝在試驗(yàn)段內(nèi)模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)上，可以軸向和垂直移動(dòng)，從而測量不同截面或位置的參數(shù)。

安裝在排架上的總溫探針采用氧化鋁陶瓷滯止室，總溫恢復(fù)系數(shù)0.97，熱電偶選用K 型熱電偶（Ma=4～5）和銥銠40-銥熱電偶（Ma=6～7）。其中，K 型熱電偶測量范圍為73～1 643 K，精度為±0.40%；銥銠40-銥熱電偶測量范圍為273～2 423 K，精度為±1.00%。安裝在排架上的皮托壓力探針為水冷結(jié)構(gòu)，壓力采用PSI 電子掃描壓力測量系統(tǒng)進(jìn)行測量，量程范圍0～700 kPa，精度優(yōu)于0.1%。

2.2 流場校測方法

風(fēng)洞氣流最高溫度達(dá)2 335 K，氣體分子的振動(dòng)能被激發(fā)，氣體的比熱比不再是定值，利用正激波關(guān)系式結(jié)合高溫真實(shí)氣體效應(yīng)迭代計(jì)算馬赫數(shù)。設(shè)激波前馬赫數(shù)為Ma1，壓強(qiáng)為p1，溫度為T1，總溫為T0，總壓為p01，則激波前有以下關(guān)系式：

設(shè)激波后馬赫數(shù)為Ma2，壓強(qiáng)為p2，溫度為T2，總溫為T0，總壓為p02，則激波后有以下關(guān)系式：

正激波前后滿足以下關(guān)系式：

進(jìn)行流場調(diào)校時(shí)，根據(jù)測得的激波前后總壓、總溫及試驗(yàn)氣體各組分的比例等關(guān)系式，反復(fù)迭代計(jì)算，得到激波前后的馬赫數(shù)。

一般將噴管出口不同截面上馬赫數(shù)或溫度偏差≤5%內(nèi)的區(qū)域定義為馬赫數(shù)或溫度均勻區(qū)，均勻區(qū)的大小可以用于評估噴管出口流場的可用范圍。采用各參數(shù)均勻區(qū)內(nèi)測量結(jié)果的平均值Xˉ、標(biāo)準(zhǔn)偏差σX和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 ωX等來表征均勻區(qū)內(nèi)該參數(shù)的均勻程度：

式中n為某參數(shù)均勻區(qū)內(nèi)測點(diǎn)總數(shù)。

3 風(fēng)洞流場品質(zhì)及運(yùn)行能力

3.1 噴管出口流場校測

對Φ3 m 噴管流場校測時(shí)，Φ3 m 排架壓力和溫度測點(diǎn)距離噴管出口600 mm。圖5 為Φ3 mMa6 和Ma7 噴管典型狀態(tài)下流場校測的馬赫數(shù)分布和總溫分布情況，實(shí)心圖例為各測點(diǎn)平均值，空心圖例為各測點(diǎn)的偏差值（測點(diǎn)值相對均勻區(qū)內(nèi)平均值的偏差），表1 為參數(shù)匯總結(jié)果。校測結(jié)果表明：Φ3 mMa6 和Ma7 流場均勻區(qū)直徑為噴管出口直徑的80%，均勻區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的偏差值均小于5%；Ma6 均勻區(qū)內(nèi)平均馬赫數(shù)為5.94，馬赫數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45%，總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.84%；Ma7 均勻區(qū)內(nèi)平均馬赫數(shù)為6.89，馬赫數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.74%，總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.09%。Φ3 mMa6 和Ma7 噴管流場均勻區(qū)內(nèi)各徑向馬赫數(shù)和總溫分布曲線平直，分布偏差小，且馬赫數(shù)和總溫分布相對噴管中心軸線對稱性好，分布均勻。

表1 Φ3 m Ma6 和Ma7 噴管流場校測結(jié)果Table 1 Flow field calibration results in Ma6 and Ma7 conditions of Φ3 m nozzle

圖5 Φ3 m Ma6 和Ma7 噴管流場馬赫數(shù)和總溫分布Fig.5 Mach number and total temperature distribution in Ma6 and Ma7 condition of Φ3 m nozzle

總溫測量結(jié)果的誤差主要取決于溫度傳感器精度，銥銠40-銥熱電偶測量范圍為273～2 423 K，精度為±1.00%，即總溫測量結(jié)果的誤差不超過1%。

馬赫數(shù)測量結(jié)果的誤差主要取決于壓力和溫度傳感器的精度，其中皮托壓力探針的恢復(fù)系數(shù)為0.96～0.98，壓力掃描系統(tǒng)的測量精度為±0.10%，經(jīng)過迭代計(jì)算，馬赫數(shù)測量結(jié)果的誤差不超過0.03%。

對Φ2 m 噴管流場校測時(shí)，Φ2 m 排架壓力和溫度測點(diǎn)距離噴管出口500 mm。圖6 為Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 噴管典型狀態(tài)下流場校測的馬赫數(shù)分布和總溫分布情況，實(shí)心圖例為各測點(diǎn)平均值，空心圖例為各測點(diǎn)的偏差值，表2 為參數(shù)匯總結(jié)果。校測結(jié)果表明：Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 狀態(tài)的流場均勻區(qū)直徑均為噴管出口直徑的85%，均勻區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的偏差值均小于5%；Ma4 狀態(tài)均勻區(qū)內(nèi)平均馬赫數(shù)為4.02，馬赫數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.88%，總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.15%；Ma5 狀態(tài)均勻區(qū)內(nèi)平均馬赫數(shù)為5.00，馬赫數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.80%，總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.34%；Ma6 狀態(tài)均勻區(qū)平均馬赫數(shù)為5.94，馬赫數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.16%，總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.58%。Φ2 mMa4、Ma5 和Ma6 噴管流場均勻區(qū)內(nèi)各徑向馬赫數(shù)和總溫分布曲線平直、分布偏差小，且馬赫數(shù)和總溫分布相對噴管中心軸線對稱性好，分布均勻。

表2 Φ2 m 噴管不同馬赫數(shù)狀態(tài)流場校測結(jié)果Table 2 Flow field calibration results at different Mach numbers of Φ2 m nozzle

圖6 Φ2 m Ma4、Ma5 和Ma6 流場馬赫數(shù)和總溫分布Fig.6 Mach number and total temperature distribution in Ma4,Ma5 and Ma6 condition of Φ2 m nozzle

3.2 噴管出口軸線方向流場校測

為驗(yàn)證風(fēng)洞軸向方向流場均勻區(qū)分布情況，利用模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)將流場排架沿風(fēng)洞軸向移動(dòng)，對噴管出口不同位置流場進(jìn)行測量?？紤]總溫探針長時(shí)間工作可靠性，每車次只校測一個(gè)截面。以Ma5 為例進(jìn)行分析，分別對Ma5 狀態(tài)典型工況噴管出口500、1 000、1 500 mm 三個(gè)位置進(jìn)行流場校測。圖7 給出了不同截面位置的馬赫數(shù)剖面和總溫剖面圖。表3 給出了不同位置流場校測匯總結(jié)果。結(jié)果表明：500、1 000、1 500 mm 三個(gè)截面位置的馬赫數(shù)均勻區(qū)分別為1 700、1 500、1 300 mm，三個(gè)截面均勻區(qū)內(nèi)的平均馬赫數(shù)均為5.0，馬赫數(shù)相對偏差最大值為0.80%，馬赫數(shù)均勻區(qū)內(nèi)總溫偏差最大為0.20%，實(shí)測馬赫數(shù)半錐角為11.31°，小于理論值11.54°，風(fēng)洞流場馬赫數(shù)菱形均勻區(qū)比理論預(yù)測直徑更大，軸向長度更長，流場品質(zhì)更好；500、1 000、1 500 mm 三個(gè)截面位置的溫度均勻區(qū)均為1 700 mm，溫度均勻區(qū)呈圓桶形分布，平均總溫分別為1 196、1 186、1 200 K，三個(gè)截面總溫均勻區(qū)內(nèi)總溫相對偏差最大為0.80%。

圖7 Ma5 噴管出口不同位置處馬赫數(shù)和總溫分布Fig.7 Mach number and total temperature distribution at different locations from nozzle outlet under Ma5 condition

表4 給出了在噴管出口1 000 mm 截面時(shí)Ma5 流場組分測量結(jié)果，從結(jié)果可以看出，4 個(gè)測點(diǎn)的組分分布一致性較好，但O2、N2、CO2、H2O 物質(zhì)的量濃度與理論預(yù)測值仍存在一定的偏差，其中O2濃度偏差1.8%，N2濃度偏差1.0%，CO2濃度偏差1.6%，H2O 濃度偏差1.2%，主要是由于系統(tǒng)測量誤差導(dǎo)致的。

表4 Ma5 流場組分測量（1 000 mm 截面位置）Table 4 Component measurement results at 1 000 mm cross-section in Ma5 condition

3.3 風(fēng)洞流場隨運(yùn)行時(shí)間的波動(dòng)

風(fēng)洞長時(shí)間運(yùn)行過程中，空氣/液氧/燃料供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒加熱器、噴管、擴(kuò)壓器和真空排氣系統(tǒng)等的工作穩(wěn)定性將影響風(fēng)洞流場性能。本文采用“一”字形排架對風(fēng)洞Ma6 典型狀態(tài)150 s 運(yùn)行過程進(jìn)行了流場校測，考察了風(fēng)洞流場隨時(shí)間的波動(dòng)情況。風(fēng)洞起動(dòng)后10 s，利用模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)將“一”字形排架從試驗(yàn)段底部向上送入至流場，15 s 到指定位置，17 s向下撤出流場，此時(shí)獲得一組流場校測數(shù)據(jù)（記為T15）；100 s 時(shí)排架再次送入流場，105 s 到指定位置，107 s 撤出流場，此時(shí)獲得第二組流場校測數(shù)據(jù)（記為T105）。圖8 為風(fēng)洞運(yùn)行過程曲線和流場校測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明運(yùn)行過程風(fēng)洞總壓穩(wěn)定，兩個(gè)時(shí)刻校測馬赫數(shù)和總溫分布基本保持一致，波動(dòng)分別為0.51%和1.60%。T15 時(shí)刻4 個(gè)皮托壓力平均值為115.8 kPa，3 個(gè)總溫平均值為1 586.8 K；T105 時(shí)刻4 個(gè)皮托壓力平均值為116.8 kPa，3 個(gè)總溫平均值為1 548.0 K。

圖8 Ma6 狀態(tài)長時(shí)間運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)Fig.8 Typical parameters for long-term operation in Ma6

從Φ3 m 高溫風(fēng)洞典型運(yùn)行曲線可知，風(fēng)洞起動(dòng)快，壓力波動(dòng)小，從風(fēng)洞起動(dòng)到點(diǎn)火成功、流場建立，時(shí)間約10 s，遠(yuǎn)小于美國蘭利中心8 英尺高溫風(fēng)洞的130 s起動(dòng)時(shí)間[10]，且起動(dòng)過程燃燒室無明顯壓力波動(dòng)。

4 結(jié)論

Φ3 m 高溫風(fēng)洞是進(jìn)行高速飛行器空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、材料與結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)研究的重要地面設(shè)備，是空氣動(dòng)力學(xué)、高速推進(jìn)系統(tǒng)和熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的大型試驗(yàn)設(shè)施，具有以下特點(diǎn)：

1）風(fēng)洞模擬參數(shù)范圍寬，具備馬赫數(shù)4～7，高度17～30 km 飛行環(huán)境下的馬赫數(shù)、總焓、動(dòng)壓和氧組分同時(shí)模擬能力。

2）風(fēng)洞流場均勻區(qū)大，達(dá)噴管出口直徑的80%以上，馬赫數(shù)菱形均勻區(qū)與理論預(yù)測結(jié)果一致，溫度均勻區(qū)呈直筒形分布；均勻區(qū)內(nèi)馬赫數(shù)和總溫相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均優(yōu)于2%，相對噴管軸線對稱性好。

3）風(fēng)洞運(yùn)行性能好，起動(dòng)快，壓力沖擊小，長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)分鐘級長時(shí)間運(yùn)行過程中馬赫數(shù)波動(dòng)小于1%，總溫波動(dòng)小于2%。