姜宏亮, 劉坤偉, 金 熠, 朱雨建, 楊基明, 吳穎川

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系, 合肥 230027; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程與材料科學(xué)實驗中心, 合肥 230027; 3. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

污染組分對高超聲速試驗熱力學(xué)參數(shù)影響研究

姜宏亮1, 劉坤偉1, 金 熠2, 朱雨建1, 楊基明1, 吳穎川3

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系, 合肥 230027; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程與材料科學(xué)實驗中心, 合肥 230027; 3. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

在燃燒加熱風(fēng)洞中進行的地面模擬試驗，高焓氣流成分有別于純凈空氣，這種污染現(xiàn)象給試驗結(jié)果帶來了一定的不確定性。為了考察污染組分對高超聲速模型試驗流場的影響，在激波風(fēng)洞中通過調(diào)節(jié)激波強度以及添加一定量的污染組分(H2O和CO2)來模擬燃燒加熱風(fēng)洞的來流條件，采用簡化的不同角度斜劈來模擬飛行器試驗?zāi)Ｐ蛯砹鞯膲嚎s作用，結(jié)合近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)測量系統(tǒng)獲取模型流場的靜溫，綜合多組數(shù)據(jù)對比分析和研究污染組分對試驗?zāi)Ｐ土鲌鲇绊懙奶卣骱鸵?guī)律。結(jié)果表明，污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切的關(guān)系；對于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗而言，不同含量的CO2污染組分對流場靜溫影響不明顯；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達到一定程度，污染效應(yīng)的顯現(xiàn)則漸趨明顯。

高超聲速；燃燒加熱風(fēng)洞；污染；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)

0 引 言

目前，我國吸氣式高超聲速飛行器技術(shù)研究正進入一個重要的發(fā)展時期，其中地面試驗是認識高超聲速飛行復(fù)雜流動機理、預(yù)測和考核高超聲速飛行器性能不可缺少的重要手段，也是降低飛行試驗風(fēng)險的關(guān)鍵一環(huán)。

目前開展的高超聲速飛行器地面模擬試驗中，燃燒加熱風(fēng)洞以其所具有的低成本、大流量和易于實現(xiàn)模擬焓值等明顯優(yōu)勢成為地面模擬設(shè)備中的佼佼者，尤其是較大尺度的高焓試驗大部分都在這類風(fēng)洞中進行。然而，燃燒加熱風(fēng)洞產(chǎn)生的模擬高焓試驗氣體的組分卻無法做到與真實大氣來流相同，即試驗氣流不可避免地攜帶燃燒加熱過程所造成的污染組分，這將給試驗結(jié)果帶來一定不確定性，因此研究污染組分的影響具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

國內(nèi)對風(fēng)洞試驗污染問題的研究起步比較晚。中國空氣動力研究與發(fā)展中心、西北工業(yè)大學(xué)和四川大學(xué)等單位在污染組分對超聲速燃燒和推進性能的影響以及污染組分對燃料燃燒化學(xué)動力學(xué)過程影響等方面開展了實驗研究[1-4]；另外，南京航天航空大學(xué)和中國空氣動力研究與發(fā)展中心[1,5]對污染問題進行了數(shù)值模擬分析。

國外對污染問題的研究開始比較早，Edelman等[6]在1969年的工作中，計算和分析了污染組分可能產(chǎn)生影響的多個方面，涉及設(shè)備噴管中水的凝結(jié)和熱化學(xué)振動非平衡過程、燃料點火和反應(yīng)時間、發(fā)動機整體性能等，這被認為是污染效應(yīng)研究的起點。在此基礎(chǔ)上，國外研究學(xué)者開展了眾多污染組分影響的試驗和數(shù)值模擬研究[7-10]。

迄今所開展的諸多研究主要集中于污染對燃料燃燒過程以及超燃沖壓發(fā)動機燃燒和推進性能影響等方面，而針對地面模擬設(shè)備及在這些設(shè)備上進行的模型試驗過程中氣流熱力參數(shù)以及氣動特性試驗測量結(jié)果所受污染影響方面,作者尚未見到深入細致的系統(tǒng)性研究。事實上，當(dāng)風(fēng)洞試驗氣體中存在污染組分時，由于有效分子量、比熱比等熱力參數(shù)的改變，一方面風(fēng)洞流場參數(shù)將發(fā)生變化，另一方面模型試驗流場也會發(fā)生變化，從而影響到試驗結(jié)果。

本文主要關(guān)注污染組分對試驗?zāi)Ｐ土鲌鰩淼挠绊懀瑥囊韵聝蓚€角度考察此影響的特征和規(guī)律：

(1) 在風(fēng)洞來流靜溫相同的情況下，模型前體壓縮面角度不同或者模型攻角變化時，即氣流所受模型的壓縮程度改變時，不同含量的污染組分對模型流場靜溫的影響程度可能存在差異；

(2) 在模型壓縮面角度相同的情況下，若風(fēng)洞來流靜溫不同，污染組分對經(jīng)歷模型壓縮后流場靜溫的影響程度也可能存在差異，并且此差異可能與模型壓縮量大小有關(guān)系。

試驗在激波風(fēng)洞中進行，添加污染組分的方法既可模擬燃燒加熱風(fēng)洞相同的來流條件，又可回避燃燒加熱風(fēng)洞所面臨的污染組分與加熱條件難以解耦的難題，可針對特定污染組分進行細致研究。在測量技術(shù)方面，傳統(tǒng)的測溫手段由于其接觸式測量易對流場產(chǎn)生干擾且難以獲得靜溫數(shù)據(jù)，因此采用近年來快速發(fā)展的近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜(TDLAS)[11-17]技術(shù)，在不干擾流場的前提下獲取試驗流場的實時靜溫參數(shù)。基于靜溫測量結(jié)果，本文重點關(guān)注CO2污染組分對試驗?zāi)Ｐ土鲌鲇绊懙囊蛩睾鸵?guī)律，以期獲得有價值的機理認識并為燃燒加熱風(fēng)洞試驗方案的擬定乃至于試驗數(shù)據(jù)的處理提供有益參考。

1 試驗設(shè)備和參數(shù)

1.1 試驗方案

試驗中，在激波風(fēng)洞試驗氣體中添加一定量的H2O以及不同含量的CO2。其中，H2O作為TDLAS試驗系統(tǒng)(水蒸氣吸收)的示蹤氣體，同時也可以模擬碳氫燃料燃燒產(chǎn)物；在保證同組試驗風(fēng)洞噴管出口靜溫不變的基礎(chǔ)上，基于TDLAS測量系統(tǒng)獲取不同CO2摩爾含量來流條件下斜劈模型流場靜溫-時間曲線，以探求CO2含量可能對不同角度斜劈模型流場靜溫參數(shù)帶來的變化。

為突出重點和簡化問題的復(fù)雜性，試驗中采用的簡化模型為25°和40°斜劈，來模擬不同類型高超聲速飛行器中幾何構(gòu)型條件以及姿態(tài)變化所造成的壓縮劇烈程度。

1.2 試驗設(shè)備

本文所采用的試驗設(shè)備是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)KDJB-500激波風(fēng)洞(見圖1)，其驅(qū)動段長7m，被驅(qū)動段長14m，利用氮氣或者氦氣作為驅(qū)動氣體。激波風(fēng)洞配有出口直徑Φ500mm的Ma6.0噴管。

圖1 激波風(fēng)洞示意圖

激波風(fēng)洞利用激波壓縮產(chǎn)生高焓試驗氣體，通過調(diào)節(jié)激波強度以及在試驗氣體中定量添加H2O和CO2污染組分模擬燃燒加熱風(fēng)洞的來流條件(總溫、總壓以及來流組分)。利用激波風(fēng)洞所具有的靈活、經(jīng)濟和試驗頻率高等優(yōu)點，可對較為豐富的試驗狀態(tài)點開展系列的變工況試驗以及相應(yīng)的定量測量與分析。 鑒于H2O易于出現(xiàn)凝結(jié)問題，其添加過程相對于CO2等其它氣體較為復(fù)雜。本試驗中采取的具體添加方式為：利用一定溫度下壓力低于飽和蒸氣壓時液態(tài)水即可沸騰的特性，首先將激波風(fēng)洞被驅(qū)動段壓力抽至近真空狀態(tài)，通過儲存液態(tài)水的容器向被驅(qū)動段(沸騰)添加氣態(tài)水蒸氣。為添加3kPa的初始H2O分壓，儲存液態(tài)水的容器由27℃水浴恒溫，以維持提供所需的飽和蒸氣壓；另外，利用恒溫加熱裝置使被驅(qū)動段管體溫度達到30℃，以保證水蒸氣不會發(fā)生凝結(jié)。真空泵和水蒸氣注入口分別位于被驅(qū)動段的兩端，注入過程中，給予真空泵足夠時間的抽排，以保證充入水蒸氣的純度，利用數(shù)字壓力表顯示的壓力監(jiān)測水蒸氣的分壓。

1.3 TDLAS測量系統(tǒng)及試驗?zāi)Ｐ?/p>

TDLAS技術(shù)是利用特定波長的近紅外激光能量被特定氣體分子吸收形成吸收光譜的原理來測量流場溫度的一種光學(xué)測量技術(shù)，本文利用水蒸氣的吸收光譜測量高超聲速試驗?zāi)Ｐ土鲌鲮o溫[11]。

試驗采用TDLAS波長掃描法，基于兩組吸收線對進行測量(7185.60cm-1/7168.44cm-1以及 7095.86cm-1/7168.44cm-1)。在本文的測量條件下，7185.60cm-1/7168.44cm-1吸收線對在500K左右有較高的測量靈敏度，而7095.86cm-1/7168.44cm-1吸收線對在300K左右有較高的測量靈敏度。TDLAS測量頻率15kHz,采集系統(tǒng)是泰克DPO3014示波器，采樣率50MS/s，采樣時間100ms。

TDLAS測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，信號發(fā)生器產(chǎn)生2路半鋸齒波驅(qū)動電流控制器，通過溫度控制器和電流控制器分別控制2個不同中心頻率的激光器，產(chǎn)生波長連續(xù)變化的紅外激光，所產(chǎn)生的激光通過單模光纖傳輸?shù)斤L(fēng)洞試驗艙內(nèi)并通過固定在模型壁面的準(zhǔn)直器聚焦。穿過待測流場的激光經(jīng)過收集器收集，利用多模光纖傳輸?shù)皆囼炁撏獠?，再由外部的透鏡聚焦增強，進入接收器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。

由于測量中所使用的紅外激光通過光纖傳輸進出試驗艙，因而有效防止了風(fēng)洞試驗艙真空環(huán)境以及試驗氣流對激光器等精密裝置的影響，同時也大幅降低了內(nèi)置測量裝置對風(fēng)洞氣流的干擾。

圖2 TDLAS試驗裝置示意圖

鑒于系統(tǒng)中部分光路暴露在艙外空氣中，試驗中通過加保護罩和氮氣吹除的方法，消除空氣中的水蒸氣干擾試驗結(jié)果。

試驗測量模型如圖3所示，利用底部支架將模型固定在風(fēng)洞模型支架上，模型側(cè)板一方面用于截取風(fēng)洞出口的均勻來流，保證流場在斜劈壓縮過程中的二維性，另一方面還可用來固定準(zhǔn)直器、接收器和保護劈罩等艙內(nèi)連接器件，防止試驗氣流沖擊可能造成的器件損毀與光路抖動，減少試驗信號的失真和噪聲。

圖3 試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

斜劈模型如圖4所示，為25°和40° 2個不同角度斜劈;斜劈展向?qū)挾染鶠?00mm，即TDLAS吸收長度為300mm;25°斜劈高度為70mm，40°斜劈高度為93.2mm。TDLAS測量點位于斜劈尾部，以保證紅外激光穿射位置位于斜劈模型壁面與試驗流場斜激波之間。

圖4 模型示意圖

1.4 TDLAS試驗系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)定試驗采用的測試環(huán)境為:壓力3kPa,溫度計示數(shù)為21℃(294K)，水蒸氣相對濕度約70%，選取7095.86cm-1/7168.44cm-1吸收線對進行標(biāo)定。

圖5中，測量溫度最小值為290.8K，最大值為303.6K，測量溫度均方差為2.2K，測量溫度平均值為297.6K，溫度計示數(shù)為294K，TDLAS測量溫度與溫度計示數(shù)偏差為1.2%。

圖5 溫度隨時間變化標(biāo)定曲線

1.5 試驗參數(shù)

按照斜劈模型角度以及來流靜溫不同，試驗可以分為4組(見表1)，選取此4組試驗可以對比考察在多種斜劈角度以及風(fēng)洞來流靜溫的條件下，CO2污染組分摩爾含量的變化對模型流場靜溫的影響特征。

表1 試驗分組及狀態(tài)

(1) 利用試驗2與試驗3兩組試驗，著重考察在風(fēng)洞來流靜溫相同的情況下，經(jīng)過不同角度斜劈模型壓縮后，流場靜溫與CO2污染組分摩爾含量變化的關(guān)系，其中試驗2代表模型壓縮角度較小的試驗，試驗3代表模型壓縮角度較大的試驗。

(2) 利用試驗1/試驗2與試驗3/試驗4兩大組試驗，綜合對比分析在相同壓縮角度，不同來流溫度情況下，模型流場靜溫與CO2污染組分摩爾含量變化的關(guān)系，其中，試驗1/試驗2代表模型壓縮角度較小的試驗，試驗3/試驗4代表模型壓縮角度較大的試驗。

試驗氣體中H2O摩爾含量保持不變(約為15%)，CO2摩爾含量從5%～25%以5%間隔變化，試驗氣體中除H2O與CO2以外，剩余氣體均為N2，試驗中激波風(fēng)洞詳細參數(shù)如表2所示。

表2 激波風(fēng)洞試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 激波風(fēng)洞典型運行狀態(tài)

選取試驗3中CO2污染組分摩爾含量為25%的試驗作為典型示例，分析流場靜溫隨試驗時間變化趨勢，圖6為TDLAS系統(tǒng)測量出的斜劈劈后流場靜溫隨試驗時間變化曲線，圖7為位于激波風(fēng)洞被驅(qū)動段端部兩個壓電傳感器的測量信號。其中通道CH1和CH2對應(yīng)的兩傳感器間距為1m,下游傳感器距離激波風(fēng)洞喉道0.7m。

圖6 典型試驗流場溫度隨時間變化曲線

圖7 典型試驗壓電傳感器信號曲線

Fig.7 Signal of piezoelectric sensor-time history of the typical experiment

由于TDLAS和壓力測量均采用同一傳感器信號觸發(fā)，因此圖6和7的時間軸都是以激波風(fēng)洞中入射激波到達上游傳感器，即CH1中壓力起跳時刻為時間起點。由圖6可以看出，在8.5～14ms時間內(nèi)，試驗流場的靜溫保持穩(wěn)定，14ms以后試驗流場靜溫開始下降，試驗時間結(jié)束。

鑒于觸發(fā)傳感器距離激波風(fēng)洞喉道有1.7m的距離，并且氣流由風(fēng)洞駐室流經(jīng)噴管需要一定的時間，所以試驗時間內(nèi)的氣體在圖6與7中對應(yīng)不同時刻，兩圖中虛線之間的時刻對應(yīng)的是試驗氣體分別在駐室和噴管出口試驗段的歷程。

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)圖7中CH1和CH2兩個傳感器測得激波風(fēng)洞入射激波的運動激波速度，按平衡流的激波管理論計算出激波風(fēng)洞的入射激波馬赫數(shù)以及總溫，繼而再根據(jù)噴管面積比，計算出噴管出口的靜溫。本文所做的4組試驗中，根據(jù)實測結(jié)果計算得到的總溫以及噴管出口靜溫分布詳見表3。

表3 試驗總溫及噴管出口靜溫分布

由表3可以看出，每組試驗中，CO2摩爾含量不同，所得駐室總溫有所差別，但噴管出口靜溫的偏擺卻并不大，可以認為4組試驗均分別實現(xiàn)了噴管出口靜溫匹配。

將試驗時間內(nèi)所測量的流場靜溫做平均處理，可以得出各組試驗條件下劈后流場靜溫隨CO2污染組分摩爾含量的變化關(guān)系，具體結(jié)果如圖8和9所示，其中圖8匯總了試驗1和試驗3兩組數(shù)據(jù)(劈后靜溫相對較高)，而圖9則展示了試驗2和試驗4兩組數(shù)據(jù)(劈后溫度相對較低)。后續(xù)的結(jié)果討論主要圍繞圖8和9所提供的4組數(shù)據(jù)分別進行對比分析。

圖8 試驗1/試驗3流場靜溫與CO2摩爾含量關(guān)系

Fig.8 Static temperature of Exp1 and Exp3 at different mole fractions of CO2

2.3 結(jié)果分析與討論

對比圖8和9中試驗2與試驗3結(jié)果可以看出，在風(fēng)洞噴管出口來流靜溫(100K左右)相同條件下，隨著CO2污染組分摩爾含量變化，25°斜劈劈后流場靜溫變化不明顯，40°斜劈劈后流場靜溫隨著CO2污染組分摩爾含量的增加而呈現(xiàn)近線性的降低。從這2組數(shù)據(jù)的比較中可以看出，較大劈角模型的劇烈壓縮顯然會促使污染效應(yīng)很容易得以體現(xiàn)。

圖9 試驗2/試驗4流場靜溫與CO2摩爾含量關(guān)系

Fig.9 Static temperature of Exp2 and Exp4 at different mole fraction of CO2

然而，與上述情況明顯不同的是，試驗1與試驗4的結(jié)果對比則反映出完全不同的特征。從圖8可以看出，當(dāng)風(fēng)洞噴管出口流場靜溫上升到170K左右以后，較低壓縮量的25°斜劈劈后流場靜溫顯然隨CO2摩爾含量的增加而降低，表明此時的污染效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)；而從圖9中則可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)洞噴管出口流場靜溫下降到70K左右時，即使對較高壓縮量的40°斜劈來說，其劈后流場靜溫隨CO2摩爾含量變化此時卻并不明顯。

由此可見，污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切關(guān)系。本試驗結(jié)果表明：對于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗來講，不同含量的CO2污染組分流場靜溫影響區(qū)別不大；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達到一定程度，污染效應(yīng)的顯露十分明顯。

究其原因，這種污染效應(yīng)主要應(yīng)歸咎于污染組分熱力特性與空氣的顯著差異。對于試驗2與試驗4來說，斜劈劈后流場溫度較低(300K左右)，CO2分子振動效應(yīng)對流場靜溫的影響尚未體現(xiàn)；相對而言，試驗1與試驗3斜劈劈后流場溫度較高(470K左右)，CO2分子的振動效應(yīng)受流場靜溫的影響則漸趨明顯。

3 結(jié) 論

在激波風(fēng)洞中通過添加H2O和CO2污染組分來模擬燃燒加熱風(fēng)洞污染來流條件，利用TDLAS測量系統(tǒng)實時獲取流場靜溫參數(shù)，定量研究污染組分對高超聲速風(fēng)洞模型試驗流場熱力學(xué)參數(shù)影響規(guī)律。結(jié)果表明：

(1) 污染氣體所產(chǎn)生的影響程度不僅與污染氣體組分含量有關(guān)，而且與模型構(gòu)型對來流的壓縮程度以及來流自身的熱力學(xué)參數(shù)狀態(tài)都有密切的關(guān)系；

(2) 對于壓縮量不大的飛行器構(gòu)型和來流靜溫不高的風(fēng)洞試驗而言，不同含量的CO2污染組分流場靜溫影響不明顯；但隨著來流靜溫的提高或模型壓縮量的增加，一旦二者的共同作用使得壓縮后溫升達到較高程度，則污染效應(yīng)的顯現(xiàn)漸趨明顯。

鑒于本文試驗尚處起步階段，參數(shù)范圍和測量精度等均存在需改進之處。因此，更為深入和系統(tǒng)細致的研究還有待在后續(xù)工作中進一步開展。

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(編輯：楊 娟)

An experimental investigation on the vitiation effects of hypersonic testing of aerothermal behaviors

Jiang Hongliang1, Liu Kunwei1, Jin Yi2, Zhu Yujian1, Yang Jiming1, Wu Yingchuan3

(1. Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;2. Experimental Center of Engineering and Material Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;3. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

For ground tests in a combustion-heated wind tunnel, the composition of the testing gas is different from that of the air, which may cause some unexpected deviations and result in more uncertainties. An experimental investigation on the vitiation effects of hypersonic testing is carried out with special focus on the aerothermal behaviors of the model flow. The experiments are conducted in a shock tunnel and the related combustion-heated wind tunnel flow conditions are simulated by adjusting the strengths of shock waves and adding specific mole fractions of contaminations (H2O and CO2). A couple of simplified wedge models with different deflection angles are used to characterize the typical compression of the flow by the vehicle model. The static temperatures of the wedge model flow under groups of conditions are obtained through tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) measurement system. The results indicate that the vitiation effects depend not only on the fractions of contaminants, but also strongly related to the freestream static temperature as well as the compression process of the model flow. A low temperature incoming flow with small compression angle is favorable for reducing the vitiation effects. On the other hand, if the combined interaction of the flow with the compression wall is so severe that the resulted static temperature is increased to a certain level, an obvious dependence of vitiation effects on the contaminations are readily observed.

hypersonic flow;combustion-heated wind tunnel;vitiation;TDLAS measurement

1672-9897(2015)01-0025-06

10.11729/syltlx20140016

2014-01-28;

2014-03-23

國家自然科學(xué)基金(11202204)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(WK209101000)

金熠,E-mail:yjin@ustc.edu.cn

JiangHL,LiuKW,JinY,etal.Anexperimentalinvestigationonthevitiationeffectsofhypersonictestingofaerothermalbehaviors.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 25-30. 姜宏亮, 劉坤偉, 金 熠, 等. 污染組分對高超聲速試驗熱力學(xué)參數(shù)影響研究. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(1): 25-30.

V211.73

A

姜宏亮(1988-)，男，山東煙臺人，碩士研究生。研究方向：高超聲速試驗與測量。通信地址：安徽省合肥市中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系(230027)。E-mail：jianghl@mail.ustc.edu.cn