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低湍流度磁懸浮風(fēng)洞的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

   2006-04-28 中國(guó)路橋網(wǎng) 佚名 4980
摘要:對(duì)磁懸浮風(fēng)洞的歷史、現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要回顧和介紹,提出了建造300mm ×300mm
磁懸浮低速風(fēng)洞(簡(jiǎn)稱(chēng):MSWT2300) 的設(shè)計(jì)思想,給出了MSWT2300 主要部件,包括離心式鼓風(fēng)機(jī)、過(guò)渡段、大角度擴(kuò)散段、穩(wěn)定段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段。MSWT2300 的建立將結(jié)束我國(guó)沒(méi)有磁懸浮風(fēng)洞的歷史。
 引  言
傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)方法,總存在機(jī)械支架的干擾,其不利影響主要有[1 ] :
(1) 造成了繞模型流場(chǎng)的畸變;
(2) 影響試驗(yàn)飛行器幾何外形模擬的準(zhǔn)確性;
(3) 限制了飛行器模型平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍;對(duì)于動(dòng)態(tài)試驗(yàn),極大地限制了振幅和頻率,從而限制了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰?
(4) 隨著飛行器向高超聲速、大攻角復(fù)雜流場(chǎng)等方向發(fā)展,對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)精度要求越來(lái)越高,復(fù)雜流場(chǎng)受支架干擾的影響也越來(lái)越嚴(yán)重。
盡管人們研究了各型機(jī)械支架,并且提出各種修正公式,甚至通過(guò)測(cè)試支架本身的氣動(dòng)參數(shù)對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要修正,但實(shí)際效果仍然有限,這樣迫使科學(xué)工作者去探討沒(méi)有機(jī)械支架的天平。
1  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1937 年,美國(guó)Virginia 大學(xué)的F T Holms 教授提出風(fēng)洞試驗(yàn)使用磁懸掛天平(簡(jiǎn)稱(chēng)MSBS) 的概念。1957 年,法國(guó)航空研究院(ONERA) 的研究人員Tournier 和Laurenceau 共同發(fā)表了第1 篇介紹磁懸掛天平技術(shù)在風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用的論文“風(fēng)洞模型的磁懸掛”, 在此文中對(duì)磁懸掛天平給出了較完整的解釋。幾十年來(lái),世界上一些著名的研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)府,象麻省理工大學(xué)(MIT) ,普林斯頓大學(xué)( Priceton Univ) ,牛津大學(xué)(Oxford U2 niv) ,莫斯科航空學(xué)院(MAI) ,日本國(guó)家空間實(shí)驗(yàn)室(NAL) ,NASA Langley 研究中心等, 相繼開(kāi)展了磁懸浮風(fēng)洞(簡(jiǎn)稱(chēng)MSWT) 的研究。以后的發(fā)展過(guò)程中,50~60 年代形成對(duì)MSWT 技術(shù)研究的第一個(gè)高峰。70 年代該項(xiàng)研究因技術(shù)原因陷入低谷,到80~90 年代,MSWT 技術(shù)再度興旺,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),幾十年來(lái),世界各國(guó)建造了不少于20 座磁懸浮風(fēng)洞[2 ] 。
我國(guó)對(duì)MSBS 技術(shù)的研制起步較晚,至目前為止,并無(wú)任何真正意義上的MSWT。我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)十分重視, “八五”, “九五”期間都對(duì)MSBS 給予了支持。1987 年,我校自動(dòng)控制系研制了一臺(tái)30mm ×30mm 的MSBS ,1994 年研制了一臺(tái)150mm ×150mm 的MSBS ,但均未用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。本課題在1998 年廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,研制了一座300mm ×300mm 的低湍流度磁懸浮風(fēng)洞(簡(jiǎn)稱(chēng)MSWT - 300) ,以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在這方面的空白。
2  MSWT2300 的特色
根據(jù)MSWT2300 的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)和用途,它將具有以下明顯特色。
(1) 磁懸掛天平技術(shù)
采用磁懸掛天平技術(shù),消除模型機(jī)械支架對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的干擾。充分利用現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室條件,對(duì)磁懸浮風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究,達(dá)到當(dāng)前國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的水平,是MSWT2300 研制的基本思想和原則。
(2) 結(jié)構(gòu)
MSWT2300 的結(jié)構(gòu)比較新穎,針對(duì)磁懸掛天平的特點(diǎn),采用在國(guó)內(nèi)外比較罕見(jiàn)的帶大角度擴(kuò)散段的離心下吹式形式,它可以省卻繁瑣的動(dòng)力段設(shè)計(jì),節(jié)約投資,并且可以避免模型被吹至實(shí)驗(yàn)段下游打壞葉片或損傷模型,因此該結(jié)構(gòu)安全,更加適合與MSBS 匹配,模型的投放和操作也很方便,結(jié)構(gòu)總圖見(jiàn)圖1 所示。
(3) 低湍流度
2 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量
根據(jù)MSWT2300 的應(yīng)用要求,風(fēng)洞流場(chǎng)具有較低的湍流度,其指標(biāo)為:ε≈0. 03 %~0. 08 % ,使MSWT2300 同時(shí)具有無(wú)支架干擾和低湍流度的雙重優(yōu)勢(shì),不管對(duì)于基礎(chǔ)研究還是型號(hào)設(shè)計(jì),都將具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖1  MSWT2300 氣動(dòng)外形Fig. 1  The aerodynamic conf iguration of MSWT2300
3  穩(wěn)定段
3. 1  概述
  穩(wěn)定段設(shè)計(jì)是MSWT2300 能否達(dá)到低湍流度目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵部分。穩(wěn)定段設(shè)計(jì)包括截面、長(zhǎng)度、湍流衰減裝置的結(jié)構(gòu)與布局(蜂窩器和阻尼網(wǎng)) 。作用在于為下游收縮段創(chuàng)造均勻來(lái)流的進(jìn)口條件,如果進(jìn)口氣流不均勻,則經(jīng)過(guò)收縮段后也是不均勻的。氣流在經(jīng)過(guò)擴(kuò)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(jīng)過(guò)一穩(wěn)定段,在蜂窩器、阻尼網(wǎng)的作用下,使氣流變得比較均勻,從而保證實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的品質(zhì)。以下分別討論MSWT - 300 的蜂窩器和阻尼網(wǎng)的設(shè)計(jì)。
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(nèi)氣流的流動(dòng)性能、壓力損失、加工和安裝等,選擇蜂窩器的孔眼內(nèi)接圓直徑為6. 9mm ,長(zhǎng)度為12 倍孔眼內(nèi)接圓直徑,即83mm ,在穩(wěn)定段的截面內(nèi)大約有19000 個(gè)蜂窩格子。試驗(yàn)和計(jì)算表明, 該尺寸和長(zhǎng)度的蜂窩器,可以最大限度的衰減湍流。
3. 3  阻尼網(wǎng)
適當(dāng)選配阻尼網(wǎng)可使穩(wěn)定段流動(dòng)速度剖面更均勻,可進(jìn)一步搗碎蜂窩器后面的旋渦,以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度當(dāng)網(wǎng)的開(kāi)閉比β小于0. 5 時(shí),由于氣流的合并可能出現(xiàn)氣流的不穩(wěn)定,通常穩(wěn)定段中阻尼網(wǎng)的β一般大于0. 5 。實(shí)際上,網(wǎng)孔類(lèi)似于許多小尺度射流孔,當(dāng)網(wǎng)孔的開(kāi)閉比較小時(shí),來(lái)自大量網(wǎng)孔射流的隨機(jī)凝聚所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性就會(huì)形成一種持久性縱向旋渦而流經(jīng)收縮段,而這種凝聚作用又會(huì)因同一張網(wǎng)上的β分布不均勻及網(wǎng)孔形狀不規(guī)則而增強(qiáng)。因而低湍流度風(fēng)洞多用0. 57 <β< 0. 6 的大開(kāi)閉比網(wǎng),且必須使網(wǎng)孔均勻、規(guī)則、清潔,網(wǎng)面平整不扭曲。當(dāng)網(wǎng)絲雷諾數(shù)達(dá)到一定程度,它自身還會(huì)引起小旋渦,所以對(duì)于同一開(kāi)閉比的阻尼網(wǎng),在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求情況下其網(wǎng)絲直徑越小的阻尼網(wǎng)效果越好,此時(shí)網(wǎng)絲的雷諾數(shù)比較小(不超過(guò)30~60) 。實(shí)驗(yàn)表明,用幾層較小K 值的網(wǎng)組比一層大K 值網(wǎng)的效果要好,因此MSWT2300 采用的是幾層K 值較小的阻尼網(wǎng)組,網(wǎng)和網(wǎng)之間的距離大約是網(wǎng)絲直徑的500 倍。用計(jì)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(wǎng)后的湍流度; Ki 表示第i 層網(wǎng)的壓降系數(shù)。計(jì)算表明,經(jīng)過(guò)7 層阻尼網(wǎng)后的氣流湍流度大約是0. 04 % ,達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
4  大角度擴(kuò)散段
在實(shí)驗(yàn)段上游的穩(wěn)定段或噴管,可以有效地提高風(fēng)洞的氣流品質(zhì)。如果要求大收縮比,則要一大的擴(kuò)散面積比。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,可以計(jì)算出最優(yōu)的擴(kuò)散角為5. 2°,以防止氣流分離,但這時(shí)擴(kuò)散段必然很長(zhǎng),增加了風(fēng)洞建設(shè)的成本,例如收縮比等于12 ,擴(kuò)散角α等于5°,擴(kuò)散段的長(zhǎng)度大約是入口直徑的20 倍。因此要考慮采用大角度擴(kuò)散段, 一般稱(chēng)α> 6°的擴(kuò)散段為大角度擴(kuò)散段[3 ,4 ] 。大角度擴(kuò)散段的設(shè)置主要是為了鼓風(fēng)機(jī)出口與穩(wěn)定段進(jìn)口相匹配,因?yàn)閮烧呓孛娉叽缦嗖钶^大,也是為了降低風(fēng)洞長(zhǎng)度。擴(kuò)散段的流動(dòng)特性和效率一般與其收縮比、壁面擴(kuò)散角、橫截面形狀和壁面曲線等有關(guān)。入口和出口的邊界層控制裝置也影響擴(kuò)散段的性能。正確的設(shè)計(jì)要綜合考慮上述因素,協(xié)調(diào)好它們的相互關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析和討論,大角度擴(kuò)散段一般遵循以下設(shè)計(jì)規(guī)則:
①當(dāng)擴(kuò)散比小于5 和擴(kuò)散角小于50°時(shí)使用網(wǎng)控制邊界層;
②如果壓力恢復(fù)不是主要的,則矩形截面已足夠;
③當(dāng)2α> 10 ( c - 1) 使用曲壁;
④用曲面網(wǎng)防止分離;
 
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