摘要:對磁懸浮風洞的歷史、現狀作了簡要回顧和介紹,提出了建造300mm ×300mm
磁懸浮低速風洞(簡稱：MSWT2300) 的設計思想,給出了MSWT2300 主要部件,包括離心式鼓風機、過渡段、大角度擴散段、穩定段、收縮段、實驗段。MSWT2300 的建立將結束我國沒有磁懸浮風洞的歷史。
引 言
傳統的風洞試驗方法,總存在機械支架的干擾,其不利影響主要有[1 ] :
(1) 造成了繞模型流場的畸變;
(2) 影響試驗飛行器幾何外形模擬的準確性;
(3) 限制了飛行器模型平動和轉動的范圍;對于動態試驗,極大地限制了振幅和頻率,從而限制了風洞試驗能力;
(4) 隨著飛行器向高超聲速、大攻角復雜流場等方向發展,對風洞試驗及其數據精度要求越來越高,復雜流場受支架干擾的影響也越來越嚴重。
盡管人們研究了各型機械支架,并且提出各種修正公式,甚至通過測試支架本身的氣動參數對風洞實驗結果進行必要修正,但實際效果仍然有限,這樣迫使科學工作者去探討沒有機械支架的天平。
1 國內外研究現狀
1937 年,美國Virginia 大學的F T Holms 教授提出風洞試驗使用磁懸掛天平(簡稱MSBS) 的概念。1957 年,法國航空研究院(ONERA) 的研究人員Tournier 和Laurenceau 共同發表了第1 篇介紹磁懸掛天平技術在風洞試驗中應用的論文“風洞模型的磁懸掛”, 在此文中對磁懸掛天平給出了較完整的解釋。幾十年來,世界上一些著名的研究機構和高等學府,象麻省理工大學(MIT) ,普林斯頓大學( Priceton Univ) ,牛津大學(Oxford U2 niv) ,莫斯科航空學院(MAI) ,日本國家空間實驗室(NAL) ,NASA Langley 研究中心等, 相繼開展了磁懸浮風洞(簡稱MSWT) 的研究。以后的發展過程中,50～60 年代形成對MSWT 技術研究的第一個高峰。70 年代該項研究因技術原因陷入低谷,到80～90 年代,MSWT 技術再度興旺,據不完全統計,幾十年來,世界各國建造了不少于20 座磁懸浮風洞[2 ] 。
我國對MSBS 技術的研制起步較晚,至目前為止,并無任何真正意義上的MSWT。我國對該項技術十分重視, “八五”, “九五”期間都對MSBS 給予了支持。1987 年,我校自動控制系研制了一臺30mm ×30mm 的MSBS ,1994 年研制了一臺150mm ×150mm 的MSBS ,但均未用于風洞實驗。本課題在1998 年廣泛調研的基礎上,研制了一座300mm ×300mm 的低湍流度磁懸浮風洞(簡稱MSWT - 300) ,以填補國內在這方面的空白。
2 MSWT2300 的特色
根據MSWT2300 的基本設計目標和用途,它將具有以下明顯特色。
(1) 磁懸掛天平技術
采用磁懸掛天平技術,消除模型機械支架對風洞試驗的干擾。充分利用現有技術和實驗室條件,對磁懸浮風洞模型實驗技術進行研究,達到當前國內外比較先進的水平,是MSWT2300 研制的基本思想和原則。
(2) 結構
MSWT2300 的結構比較新穎,針對磁懸掛天平的特點,采用在國內外比較罕見的帶大角度擴散段的離心下吹式形式,它可以省卻繁瑣的動力段設計,節約投資,并且可以避免模型被吹至實驗段下游打壞葉片或損傷模型,因此該結構安全,更加適合與MSBS 匹配,模型的投放和操作也很方便,結構總圖見圖1 所示。
(3) 低湍流度
2 流體力學實驗與測量
根據MSWT2300 的應用要求,風洞流場具有較低的湍流度,其指標為:ε≈0. 03 %～0. 08 % ,使MSWT2300 同時具有無支架干擾和低湍流度的雙重優勢,不管對于基礎研究還是型號設計,都將具有極強的競爭優勢。
圖1 MSWT2300 氣動外形Fig. 1 The aerodynamic conf iguration of MSWT2300
3 穩定段
3. 1 概述
穩定段設計是MSWT2300 能否達到低湍流度目標的一個關鍵部分。穩定段設計包括截面、長度、湍流衰減裝置的結構與布局(蜂窩器和阻尼網) 。作用在于為下游收縮段創造均勻來流的進口條件,如果進口氣流不均勻,則經過收縮段后也是不均勻的。氣流在經過擴散段后,氣流速度和方向都是不均勻的,湍流度也較高,甚至主流中還可能存在大尺度的旋渦。因此在收縮段前,必須經過一穩定段,在蜂窩器、阻尼網的作用下,使氣流變得比較均勻,從而保證實驗段流場的品質。以下分別討論MSWT - 300 的蜂窩器和阻尼網的設計。
3. 2 蜂窩器
MSWT2300 的蜂窩器蜂窩格子橫截面為六角形。綜合考慮蜂窩器內氣流的流動性能、壓力損失、加工和安裝等,選擇蜂窩器的孔眼內接圓直徑為6. 9mm ,長度為12 倍孔眼內接圓直徑,即83mm ,在穩定段的截面內大約有19000 個蜂窩格子。試驗和計算表明, 該尺寸和長度的蜂窩器,可以最大限度的衰減湍流。
3. 3 阻尼網
適當選配阻尼網可使穩定段流動速度剖面更均勻,可進一步搗碎蜂窩器后面的旋渦,以減小穩定段氣流的湍流強度當網的開閉比β小于0. 5 時,由于氣流的合并可能出現氣流的不穩定,通常穩定段中阻尼網的β一般大于0. 5 。實際上,網孔類似于許多小尺度射流孔,當網孔的開閉比較小時,來自大量網孔射流的隨機凝聚所產生的不穩定性就會形成一種持久性縱向旋渦而流經收縮段,而這種凝聚作用又會因同一張網上的β分布不均勻及網孔形狀不規則而增強。因而低湍流度風洞多用0. 57 <β< 0. 6 的大開閉比網,且必須使網孔均勻、規則、清潔,網面平整不扭曲。當網絲雷諾數達到一定程度,它自身還會引起小旋渦,所以對于同一開閉比的阻尼網,在滿足強度要求情況下其網絲直徑越小的阻尼網效果越好,此時網絲的雷諾數比較小(不超過30～60) 。實驗表明,用幾層較小K 值的網組比一層大K 值網的效果要好,因此MSWT2300 采用的是幾層K 值較小的阻尼網組,網和網之間的距離大約是網絲直徑的500 倍。用計算公式:
εs = εd ∏n i = 1 1 + Ki) 0. 5 (1)
εd 是蜂窩器后的湍流度;εs 是網后的湍流度; Ki 表示第i 層網的壓降系數。計算表明,經過7 層阻尼網后的氣流湍流度大約是0. 04 % ,達到預定的設計目標。
4 大角度擴散段
在實驗段上游的穩定段或噴管,可以有效地提高風洞的氣流品質。如果要求大收縮比,則要一大的擴散面積比。按照傳統的設計方案,可以計算出最優的擴散角為5. 2°,以防止氣流分離,但這時擴散段必然很長,增加了風洞建設的成本,例如收縮比等于12 ,擴散角α等于5°,擴散段的長度大約是入口直徑的20 倍。因此要考慮采用大角度擴散段, 一般稱α> 6°的擴散段為大角度擴散段[3 ,4 ] 。大角度擴散段的設置主要是為了鼓風機出口與穩定段進口相匹配,因為兩者截面尺寸相差較大,也是為了降低風洞長度。擴散段的流動特性和效率一般與其收縮比、壁面擴散角、橫截面形狀和壁面曲線等有關。入口和出口的邊界層控制裝置也影響擴散段的性能。正確的設計要綜合考慮上述因素,協調好它們的相互關系。經過分析和討論,大角度擴散段一般遵循以下設計規則:
①當擴散比小于5 和擴散角小于50°時使用網控制邊界層;
②如果壓力恢復不是主要的,則矩形截面已足夠;
③當2α> 10 ( c - 1) 使用曲壁;
④用曲面網防止分離;
磁懸浮低速風洞(簡稱：MSWT2300) 的設計思想,給出了MSWT2300 主要部件,包括離心式鼓風機、過渡段、大角度擴散段、穩定段、收縮段、實驗段。MSWT2300 的建立將結束我國沒有磁懸浮風洞的歷史。
引 言
傳統的風洞試驗方法,總存在機械支架的干擾,其不利影響主要有[1 ] :
(1) 造成了繞模型流場的畸變;
(2) 影響試驗飛行器幾何外形模擬的準確性;
(3) 限制了飛行器模型平動和轉動的范圍;對于動態試驗,極大地限制了振幅和頻率,從而限制了風洞試驗能力;
(4) 隨著飛行器向高超聲速、大攻角復雜流場等方向發展,對風洞試驗及其數據精度要求越來越高,復雜流場受支架干擾的影響也越來越嚴重。
盡管人們研究了各型機械支架,并且提出各種修正公式,甚至通過測試支架本身的氣動參數對風洞實驗結果進行必要修正,但實際效果仍然有限,這樣迫使科學工作者去探討沒有機械支架的天平。
1 國內外研究現狀
1937 年,美國Virginia 大學的F T Holms 教授提出風洞試驗使用磁懸掛天平(簡稱MSBS) 的概念。1957 年,法國航空研究院(ONERA) 的研究人員Tournier 和Laurenceau 共同發表了第1 篇介紹磁懸掛天平技術在風洞試驗中應用的論文“風洞模型的磁懸掛”, 在此文中對磁懸掛天平給出了較完整的解釋。幾十年來,世界上一些著名的研究機構和高等學府,象麻省理工大學(MIT) ,普林斯頓大學( Priceton Univ) ,牛津大學(Oxford U2 niv) ,莫斯科航空學院(MAI) ,日本國家空間實驗室(NAL) ,NASA Langley 研究中心等, 相繼開展了磁懸浮風洞(簡稱MSWT) 的研究。以后的發展過程中,50～60 年代形成對MSWT 技術研究的第一個高峰。70 年代該項研究因技術原因陷入低谷,到80～90 年代,MSWT 技術再度興旺,據不完全統計,幾十年來,世界各國建造了不少于20 座磁懸浮風洞[2 ] 。
我國對MSBS 技術的研制起步較晚,至目前為止,并無任何真正意義上的MSWT。我國對該項技術十分重視, “八五”, “九五”期間都對MSBS 給予了支持。1987 年,我校自動控制系研制了一臺30mm ×30mm 的MSBS ,1994 年研制了一臺150mm ×150mm 的MSBS ,但均未用于風洞實驗。本課題在1998 年廣泛調研的基礎上,研制了一座300mm ×300mm 的低湍流度磁懸浮風洞(簡稱MSWT - 300) ,以填補國內在這方面的空白。
2 MSWT2300 的特色
根據MSWT2300 的基本設計目標和用途,它將具有以下明顯特色。
(1) 磁懸掛天平技術
采用磁懸掛天平技術,消除模型機械支架對風洞試驗的干擾。充分利用現有技術和實驗室條件,對磁懸浮風洞模型實驗技術進行研究,達到當前國內外比較先進的水平,是MSWT2300 研制的基本思想和原則。
(2) 結構
MSWT2300 的結構比較新穎,針對磁懸掛天平的特點,采用在國內外比較罕見的帶大角度擴散段的離心下吹式形式,它可以省卻繁瑣的動力段設計,節約投資,并且可以避免模型被吹至實驗段下游打壞葉片或損傷模型,因此該結構安全,更加適合與MSBS 匹配,模型的投放和操作也很方便,結構總圖見圖1 所示。
(3) 低湍流度
2 流體力學實驗與測量
根據MSWT2300 的應用要求,風洞流場具有較低的湍流度,其指標為:ε≈0. 03 %～0. 08 % ,使MSWT2300 同時具有無支架干擾和低湍流度的雙重優勢,不管對于基礎研究還是型號設計,都將具有極強的競爭優勢。
圖1 MSWT2300 氣動外形Fig. 1 The aerodynamic conf iguration of MSWT2300
3 穩定段
3. 1 概述
穩定段設計是MSWT2300 能否達到低湍流度目標的一個關鍵部分。穩定段設計包括截面、長度、湍流衰減裝置的結構與布局(蜂窩器和阻尼網) 。作用在于為下游收縮段創造均勻來流的進口條件,如果進口氣流不均勻,則經過收縮段后也是不均勻的。氣流在經過擴散段后,氣流速度和方向都是不均勻的,湍流度也較高,甚至主流中還可能存在大尺度的旋渦。因此在收縮段前,必須經過一穩定段,在蜂窩器、阻尼網的作用下,使氣流變得比較均勻,從而保證實驗段流場的品質。以下分別討論MSWT - 300 的蜂窩器和阻尼網的設計。
3. 2 蜂窩器
MSWT2300 的蜂窩器蜂窩格子橫截面為六角形。綜合考慮蜂窩器內氣流的流動性能、壓力損失、加工和安裝等,選擇蜂窩器的孔眼內接圓直徑為6. 9mm ,長度為12 倍孔眼內接圓直徑,即83mm ,在穩定段的截面內大約有19000 個蜂窩格子。試驗和計算表明, 該尺寸和長度的蜂窩器,可以最大限度的衰減湍流。
3. 3 阻尼網
適當選配阻尼網可使穩定段流動速度剖面更均勻,可進一步搗碎蜂窩器后面的旋渦,以減小穩定段氣流的湍流強度當網的開閉比β小于0. 5 時,由于氣流的合并可能出現氣流的不穩定,通常穩定段中阻尼網的β一般大于0. 5 。實際上,網孔類似于許多小尺度射流孔,當網孔的開閉比較小時,來自大量網孔射流的隨機凝聚所產生的不穩定性就會形成一種持久性縱向旋渦而流經收縮段,而這種凝聚作用又會因同一張網上的β分布不均勻及網孔形狀不規則而增強。因而低湍流度風洞多用0. 57 <β< 0. 6 的大開閉比網,且必須使網孔均勻、規則、清潔,網面平整不扭曲。當網絲雷諾數達到一定程度,它自身還會引起小旋渦,所以對于同一開閉比的阻尼網,在滿足強度要求情況下其網絲直徑越小的阻尼網效果越好,此時網絲的雷諾數比較小(不超過30～60) 。實驗表明,用幾層較小K 值的網組比一層大K 值網的效果要好,因此MSWT2300 采用的是幾層K 值較小的阻尼網組,網和網之間的距離大約是網絲直徑的500 倍。用計算公式:
εs = εd ∏n i = 1 1 + Ki) 0. 5 (1)
εd 是蜂窩器后的湍流度;εs 是網后的湍流度; Ki 表示第i 層網的壓降系數。計算表明,經過7 層阻尼網后的氣流湍流度大約是0. 04 % ,達到預定的設計目標。
4 大角度擴散段
在實驗段上游的穩定段或噴管,可以有效地提高風洞的氣流品質。如果要求大收縮比,則要一大的擴散面積比。按照傳統的設計方案,可以計算出最優的擴散角為5. 2°,以防止氣流分離,但這時擴散段必然很長,增加了風洞建設的成本,例如收縮比等于12 ,擴散角α等于5°,擴散段的長度大約是入口直徑的20 倍。因此要考慮采用大角度擴散段, 一般稱α> 6°的擴散段為大角度擴散段[3 ,4 ] 。大角度擴散段的設置主要是為了鼓風機出口與穩定段進口相匹配,因為兩者截面尺寸相差較大,也是為了降低風洞長度。擴散段的流動特性和效率一般與其收縮比、壁面擴散角、橫截面形狀和壁面曲線等有關。入口和出口的邊界層控制裝置也影響擴散段的性能。正確的設計要綜合考慮上述因素,協調好它們的相互關系。經過分析和討論,大角度擴散段一般遵循以下設計規則:
①當擴散比小于5 和擴散角小于50°時使用網控制邊界層;
②如果壓力恢復不是主要的,則矩形截面已足夠;
③當2α> 10 ( c - 1) 使用曲壁;
④用曲面網防止分離;
