張 暉, 范利濤

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

風(fēng)洞標(biāo)模最初是檢驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定性指標(biāo)(如氣流偏角、數(shù)據(jù)重復(fù)性、數(shù)據(jù)不確定度等)的重要工具[1,2]。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)不斷發(fā)展，標(biāo)模更多被用于驗(yàn)證先進(jìn)的CFD算法[3-8]。NASA(National Aeronautics and Space Administration)先后研發(fā)了DLR-F4[3]、DLR-F6[9]、CRM[10]等標(biāo)模,并在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證CFD算法在阻力預(yù)測中的實(shí)用性。DNW(德-荷風(fēng)洞機(jī)構(gòu))與中國航空研究院利用CAE-AVM數(shù)模研究高馬赫數(shù)下機(jī)翼變形時CFD算法的預(yù)測性能[11]。這些模型本身之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性不強(qiáng)，同一模型在不同風(fēng)洞間的數(shù)據(jù)比對結(jié)果相差較大[12]。

為提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，探究不同風(fēng)洞之間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，進(jìn)一步開展CFD驗(yàn)證與確認(rèn)工作，中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)建立了大展弦比運(yùn)輸機(jī)高低速統(tǒng)一標(biāo)模體系[13]。CARDC低速空氣動力研究所依據(jù)發(fā)布數(shù)模，先后研制了用于FL-13風(fēng)洞，縮比為1∶6.4的CHN-T1標(biāo)模[14]；用于FL-17風(fēng)洞(5.5m×4.0m聲學(xué)風(fēng)洞)，縮比為1∶8.5的標(biāo)模；用于FL-12風(fēng)洞，縮比為1∶11.5的標(biāo)模以及用于FL-11風(fēng)洞(1.8m×1.4m風(fēng)洞)，縮比為1∶32的標(biāo)模。這組標(biāo)模既可用來檢驗(yàn)各自風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，也可用來驗(yàn)證不同風(fēng)洞之間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，同時CHN-T1標(biāo)模也可為CFD驗(yàn)證與確認(rèn)提供基準(zhǔn)。為獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用CHN-T1標(biāo)模先后在FL-13風(fēng)洞和DNW-LLF風(fēng)洞進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)進(jìn)展

1.1 風(fēng)洞設(shè)備

1.1.1 FL-13風(fēng)洞

FL-13風(fēng)洞是一座直流式、閉口、串列雙試驗(yàn)段的大型低速風(fēng)洞，輪廓圖見圖1。第一試驗(yàn)段寬12m、高16m、長25m，第二試驗(yàn)段寬8m、高6m、長15m。每個試驗(yàn)段頂壁開有9.0m×6.0m的頂門，便于模型及試驗(yàn)裝置進(jìn)出，其下洞壁均配有直徑Φ6m的轉(zhuǎn)盤，可在0°～360°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動。風(fēng)洞由3臺品字型布局的電機(jī)提供動力源，電機(jī)總功率7.8MW。

FL-13風(fēng)洞試驗(yàn)在第二試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段有效截面積47.4m2，常用試驗(yàn)風(fēng)速20～80m/s，最高雷諾數(shù)4.5×106。

圖1 FL-13風(fēng)洞輪廓圖

1.1.2 DNW-LLF風(fēng)洞

DNW-LLF風(fēng)洞是一座單回流、具有2個可更換閉口試驗(yàn)段的大型低速風(fēng)洞，輪廓圖見圖2。每個可更換部段均包括收縮段、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段。整個可更換部段長45m。最大試驗(yàn)段橫截面為9.5m×9.5m，較小試驗(yàn)段橫截面為8.0m×6.0m或6.0m×6.0m，對應(yīng)試驗(yàn)段分別稱為9.5×9.5試驗(yàn)段、8.0×6.0試驗(yàn)段和6.0×6.0試驗(yàn)段。DNW-LLF風(fēng)洞也可按開口模式運(yùn)行，此時風(fēng)洞配置8.0×6.0收縮段和9.5×9.5擴(kuò)散段。風(fēng)洞動力由1臺14MW的電機(jī)驅(qū)動恒定槳角的風(fēng)扇獲得。風(fēng)洞風(fēng)速通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)，風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速225r/min。

圖2 DNW-LLF風(fēng)洞輪廓圖

試驗(yàn)在8.0×6.0試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段長20m，空風(fēng)洞最高風(fēng)速116m/s，最高雷諾數(shù)5.3×106。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

CHN-T1標(biāo)模為下單翼、低平尾常規(guī)布局，機(jī)翼翼型為超臨界翼型，機(jī)身代表寬體客機(jī)外形。CHN-T1設(shè)計(jì)巡航馬赫數(shù)Ma∞=0.78，對應(yīng)設(shè)計(jì)升力系數(shù)CL=0.5。CHN-T1外形尺寸見圖3,圖中單位為mm。CHN-T1展弦比為9.355，機(jī)翼中線后掠角23.2°，機(jī)翼參考面積2.328m2，展長4.667m，平均氣動弦長0.582m。模型力矩參考中心位于機(jī)身中線上、機(jī)頭后方1.986m處。同時，模型預(yù)留了短艙接口。

圖3 CHN-T1標(biāo)模外形尺寸

在模型機(jī)翼上下表面前緣、機(jī)頭前緣、垂尾前緣、平尾上下表面前緣粘貼了鋸齒形轉(zhuǎn)捩帶以實(shí)現(xiàn)附面層固定轉(zhuǎn)捩。機(jī)翼轉(zhuǎn)捩帶厚度0.25mm，粘貼于距前緣5%弦長處；平尾、垂尾和機(jī)頭轉(zhuǎn)捩帶厚度0.40mm，平尾、垂尾轉(zhuǎn)捩帶粘貼于距前緣8%弦長處，機(jī)頭轉(zhuǎn)捩帶粘貼于距離機(jī)頭70mm處。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 FL-13風(fēng)洞試驗(yàn)條件

CHN-T1標(biāo)模在FL-13風(fēng)洞進(jìn)行了為期2周的測力和流動顯示試驗(yàn)，測力所用天平為CARDC研制的TG-1801A天平[15]，所用支撐為特大迎角支撐系統(tǒng)+斜腹撐(見圖4)。試驗(yàn)風(fēng)速40、50、60和70m/s，以平均氣動弦長為參考長度的雷諾數(shù)分別為1.4×106、1.8×106、2.1×106和2.5×106。低雷諾數(shù)用于對比小風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，高雷諾數(shù)用于同高速風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比及提供CFD驗(yàn)證與確認(rèn)基準(zhǔn)。文中的對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在Re=2.5×106給出。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了洞壁干擾修正和支架干擾修正。支架干擾修正中支架量通過圖5中“背撐+假腹撐-背撐”(即④-②)獲得。試驗(yàn)過程中模型迎角變化范圍為-4°～22°，側(cè)滑角變化范圍為-18°～18°。

圖4 FL-13風(fēng)洞標(biāo)模試驗(yàn)

圖5 支架干擾修正

1.3.2 DNW-LLF風(fēng)洞試驗(yàn)條件

CHN-T1標(biāo)模在DNW-LLF風(fēng)洞進(jìn)行了為期3周的測力、測力矩試驗(yàn)，測力所用天平為DNW的W616天平[16]，所用支撐為尾撐系統(tǒng)+斜腹撐(見圖6)。試驗(yàn)風(fēng)速為40、50、60、70、80及90m/s，以平均氣動弦長為參考長度的雷諾數(shù)分別為1.4×106、1.8×106、2.1×106、2.5×106、2.9×106及3.2×106。對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在Re=2.5×106給出。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了洞壁干擾修正和支架干擾修正。支架干擾修正中支架量通過圖5中“腹撐+假背撐-背撐”(即③-②)獲得[17]。試驗(yàn)過程中模型迎角變化范圍為-8°～24°，側(cè)滑角變化范圍為-18°～18°。

圖6 DNW-LLF風(fēng)洞標(biāo)模試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖7～10和表1給出了CHN-T1標(biāo)模在不同風(fēng)洞中阻力和升力的重復(fù)性結(jié)果。FL-13風(fēng)洞中重復(fù)性試驗(yàn)進(jìn)行了7次，DNW-LLF風(fēng)洞中重復(fù)性試驗(yàn)進(jìn)行了6次。

圖7～10(a)均為單次試驗(yàn)測量值與多次重復(fù)性試驗(yàn)平均值的偏差，圖7～10(b)給出每次重復(fù)性試驗(yàn)測量值。圖7～10(a)中橫實(shí)線為國軍標(biāo)重復(fù)性精度優(yōu)秀指標(biāo)2倍或3倍值。從圖中可以看出，除FL-13升力重復(fù)性試驗(yàn)超出3倍值外，其余均為2倍值。此外，絕大多數(shù)偏差值落在2ΔCD和2ΔCL以內(nèi)，其中ΔCD=0.0002、ΔCL=0.001；FL-13風(fēng)洞升力偏差值多數(shù)落在3ΔCL以內(nèi)。多數(shù)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果滿足國軍標(biāo)優(yōu)秀指標(biāo)要求。

圖7 FL-13風(fēng)洞阻力重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖8 FL-13風(fēng)洞升力重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖9 DNW-LLF風(fēng)洞阻力重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖10 DNW-LLF風(fēng)洞升力重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

σCLσCDσCmaDNW-LLF風(fēng)洞0.000780.000080.0002FL-13風(fēng)洞0.00220.000090.0003國軍標(biāo)優(yōu)秀指標(biāo)0.00100.000200.0003國軍標(biāo)合格指標(biāo)0.00400.000500.0012

2.2 氣動特性數(shù)據(jù)對比結(jié)果

表2和圖11給出了CHN-T1標(biāo)模在FL-13風(fēng)洞和DNW-LLF風(fēng)洞試驗(yàn)中的氣動特性數(shù)據(jù)對比結(jié)果?？梢钥闯?，標(biāo)模在兩座風(fēng)洞中的升力線斜率基本一致，俯仰靜穩(wěn)定裕度差異很小，可忽略不計(jì)，設(shè)計(jì)升力系數(shù)點(diǎn)附近(Ma=0.78,CL=0.5)的阻力系數(shù)相差在4阻力單位內(nèi)(0.0004)。兩風(fēng)洞標(biāo)模數(shù)值相差較大的是零升俯仰力矩系數(shù)，初步分析表明該差異與兩風(fēng)洞支架干擾扣除方案不同有關(guān)。

表2 CHN-T1氣動特性Table 2 CHN-T1 aerodynamic characteristics

2.3 雷諾數(shù)影響

圖12給出了FL-13風(fēng)洞中CHN-T1標(biāo)模氣動特性曲線隨雷諾數(shù)(試驗(yàn)風(fēng)速)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨雷諾數(shù)增加，標(biāo)模升力線斜率略有增加；設(shè)計(jì)升力點(diǎn)附近升力系數(shù)有所增大，阻力系數(shù)減??；俯仰力矩曲線基本無變化，俯仰靜穩(wěn)定裕度基本一致，符合預(yù)期。雷諾數(shù)大于1.8×106后，CHN-T1標(biāo)模臨界迎角及最大升力系數(shù)變化不大。

圖11 兩風(fēng)洞CHN-T1標(biāo)模氣動特性對比結(jié)果

Fig.11CHN-T1calibrationmodelaerodynamiccharacteristicscomparisonbetweentwowindtunnels

圖13給出了DNW-LLF風(fēng)洞中CHN-T1標(biāo)模氣動特性隨雷諾數(shù)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著雷諾數(shù)增加，標(biāo)模升力線斜率略有增加；設(shè)計(jì)升力點(diǎn)附近升力系數(shù)有所增大，阻力系數(shù)減??；俯仰靜穩(wěn)定裕度基本一致，設(shè)計(jì)升力點(diǎn)附近俯仰力矩系數(shù)有所增加，符合預(yù)期。雷諾數(shù)大于1.8×106后，CHN-T1標(biāo)模臨界迎角及最大升力系數(shù)變化不大。Re=3.2×106時，最大升力系數(shù)出現(xiàn)明顯減小，這可能與CHN-T1標(biāo)模失速附近迎角間隔較大、模型振動及馬赫數(shù)有關(guān)。雷諾數(shù)大于2.5×106后，設(shè)計(jì)升力點(diǎn)附近阻力系數(shù)不再隨雷諾數(shù)增加而增大。

圖12 FL-13風(fēng)洞中雷諾數(shù)對CHN-T1標(biāo)模氣動特性影響

Fig.12ReynoldsnumbereffectonCHN-T1calibrationmodelinFL-13windtunnel

圖13 DNW-LLF風(fēng)洞中雷諾數(shù)對CHN-T1標(biāo)模氣動特性影響

Fig.13ReynoldsnumbereffectonCHN-T1calibrationmodelinDNW-LLFwindtunnel

3 結(jié) 論

CHN-T1標(biāo)模為CARDC高低速統(tǒng)一大展弦比運(yùn)輸機(jī)標(biāo)模體系中的首個標(biāo)模，標(biāo)模設(shè)計(jì)加工完成后，分別在FL-13風(fēng)洞和DNW-LLF風(fēng)洞進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，重復(fù)性試驗(yàn)精度基本滿足國軍標(biāo)優(yōu)秀指標(biāo)要求；對比試驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)模在不同風(fēng)洞中獲得的特征氣動參數(shù)相差很小，設(shè)計(jì)升力點(diǎn)附近阻力系數(shù)相差僅4個阻力單位；雷諾數(shù)對標(biāo)模氣動特性影響符合預(yù)期。所獲得數(shù)據(jù)可作為標(biāo)模體系中其他標(biāo)模以及CFD驗(yàn)證與評估的基準(zhǔn)。