后缘修型对空腔流场特性影响分析

吴继飞 ,陶 洋,范召林 ,罗新福

(中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室,四川 绵阳 621000)

0 引 言

空腔在工程上有着广泛的应用。空腔流动看似简单,却引发了很多复杂的空气动力学现象,当高速气流流经空腔时,可能引发边界层分离、气动噪声、激波/剪切层干扰等复杂气动现象。近年来,关于空腔流动方面的研究已成为空气动力学界研究的一个热点。

空腔流场可分为五种不同类型:开式穴流动、过渡/开式穴流动、过渡式穴流动、过渡/闭式穴流动和闭式穴流动[1-2]。对于闭式穴流动,气流流经空腔时将产生严重的流动分离,空腔内存在较大的静态压力梯度,武器从具有该流场类型的弹舱内分离时将产生很大的抬头力矩,危及武器安全分离;而当高速气流流经具有开式穴流场类型的空腔时,气流将形成一道剪切层直接跨过空腔,此时舱内静态压力梯度较小,但由于剪切层的不稳定性,舱内将产生强烈的气动噪声,可能引起舱内电子设备、武器等发生振动,并有可能导致结构疲劳破坏,严重影响武器安全分离和飞行安全。因此,对空腔流场进行流动控制的主要目的是抑制流场引发的气动噪声,并降低流场的静态压力梯度,国外进行了大量关于空腔流动控制方面的研究[3]。

本文主要研究了采用被动控制手段——后缘修型进行流动控制对空腔流场气动噪声的影响,及其对空腔静态压力分布影响。该流动控制方法对空腔外形破坏小,且不需额外装置,具有良好的工程应用前景。

1 风洞及试验模型

1.1 风洞

试验在中国空气动力研究与发展中心高速所的FL-21风洞进行。风洞开口试验段为0.6m×0.6m,试验段长度为1.775m,试验马赫数范围为0.3～3.0,跨声速时试验段上下为开孔壁,两侧为实壁,超声速时四壁均为实壁。

1.2 模型

未修型时试验模型如图1(a)所示,空腔模型安装在矩形平板上,平板固定于风洞侧壁,平板上表面与风洞侧壁之间的距离为40mm,在平板最前缘粘贴粗糙带进行人工转捩,以保证气流在达到空腔之前充分发展成湍流。空腔的长度(L=267mm)、宽度(W=104mm)固定,深度(D)可以调节。后缘修型时试验模型如图1(b)所示,后堵块上倒1/4圆的圆弧,圆弧两端点处切线分别和后壁面以及平板平行,圆弧半径分别为R1=5mm、R2=10mm、R3=15mm。测压孔分布在空腔底板的中轴线上,共有26个静压测点,27个脉动压力测点,等间隔分布,两者之间的孔心距为5mm,以x表示测压点的位置坐标,顺气流方向为正,空腔前壁位置定义为零点,第一个测压孔为脉动压力测点,压力孔中心位置为x=3.33mm,文中以无量纲数x/L表示测压点的相对位置。

图1 试验模型照片Fig.1 Sketch of testing models

1.3 采集设备

静态压力测量由P&S公司生产的Netscaner System 9016模块压力采集系统测量,单通道的采样频率为100Hz;脉动压力由Endevco公司生产的8514-10型压阻式传感器进行测量,该传感器量程为10PSI,固有频率为200kHz,名义灵敏度为4.35×10-3mV/Pa。

1.4 边界层测量

采用单点皮托管移动测量的方法对未修型时空腔前缘的边界层厚度进行了测量,定义无量纲速度等于0.99时为速度边界层的外边界。M=0.6时,边界层厚度δ=15.31mm,M=0.9时,δ=11.00mm,M=1.5时 ,δ=5.50mm 。

2 试验结果分析

图2为L/D=9、M=0.9时不同修型半径对空腔流场特性影响曲线。

从图2(a)静态压力分布曲线可以看出,不同修型半径时,因修型而引起的静态压力分布的变化规律是一致的,即空腔底部前壁附近的压力值略有降低,同时后壁附近的压力值略有升高,空腔底部的压力梯度有所增大,当修型半径从R1变为R2时,空腔前壁附近的压力值略有减小,而当修型半径从R2变为R3时,空腔前壁附近的压力值基本上没有变化。从图2(b)总声压级分布曲线上可以看出,不同修型半径时,因修型而引起的总声压级分布的变化规律也是一致的,即后缘修型以后使得空腔底部中后段测点的总声压级有所降低,并且降低的幅度随修型半径的增加而增大。频谱图表示脉动压力能量在各频率段的分布,对于空腔流场,频谱曲线上在某些频率下可能会出现能量尖峰,能量尖峰可能引发结构以及设备发生共振,因此对空腔流场进行频谱分析的主要目的是分析是否有尖峰出现。试验结果表明,相同试验条件下,空腔底部不同测点的频谱图形状是相似的,频谱图上的能量尖峰仅存在幅值大小的区别,而其对应的频率是一致的,因此在分析空腔流场声压频谱图特性时,可以选取最具代表性测点的测值进行讨论,本文选取相对位置为x/L=0.987处的传感器进行频谱分析。从图2(c)频谱曲线上可以看出,不同修型半径时,后缘修型以后均使得频谱曲线上能量尖峰的幅值有所降低,并且降低的幅度随修型半径的增加而增大,最大降低了约5dB,频谱曲线还表明,在频率3500Hz附近出现了能量峰簇,这很有可能是由模型安装以及风洞的背景噪声产生的。上述分析表明,后缘修型对空腔流场特性的影响随修型半径的增大而增强,因此,以下研究均采用后缘为R3的后缘修型模型。

图2 空腔流场特征曲线Fig.2 Curves of cavity flow characteristics

图3为L/D=7时,后缘修型对空腔流场特性影响曲线。

图3(a)表明,在亚声速(M=0.6)和超声速(M=1.8)条件下,后缘修型对静态压力分布的影响有所不同:马赫数等于0.6时,未修型时的基准空腔流场类型对应为过渡式穴流动[4],后缘修型使空腔前壁附近的压力值降低、后壁附近的压力值升高,从而导致腔底的静态压力梯度有所增大;马赫数等于1.8时,此时的基准空腔流场类型对应为开式穴流动[4],气流在空腔的上方形成一道自由剪切层直接跨过空腔,空腔内的绝大区域内的静态压力分布较为平直,只是在空腔后壁附近压力才明显上升,这是由于气流撞击空腔后壁造成气流压缩而产生的,此时,后缘修型使空腔后壁附近的压力值有较明显降低,但对其它区域内的静态压力影响不明显。造成上述两种现象的原因可能是:亚声速条件下,空腔的流场类型对应为过渡式穴流动时,该修型方式相当于使空腔的长度增大,从而引起空腔的有效长深比增大,超声速条件下,空腔的流场类型对应为开式穴流动时,该修型方式降低了剪切层气流在空腔后壁上的撞击强度,并使撞击激波的强度减弱,从而使空腔后壁附近的压力值降低。图3(b)总声压级分布曲线表明,无论是过渡式穴流动还是开式穴流动,后缘修型以后均使得腔底所有测点的总声压级降低,特别是当空腔的基准流场类型为开式穴流动时,采用后缘修型的方式进行流动控制的效果十分明显,总声压级降低的最大量约有5dB。图3(c)能量谱分布曲线同样表明该方法对抑制能量尖峰有利,马赫数等于0.6时,能量谱分布的基准曲线上有一个较明显的能量尖峰,采用后缘修型以后该能量尖峰得到了有效的抑制;马赫数为1.8时,能量谱分布基准曲线上有三个较明显的能量尖峰,其中第二能量尖峰的能量值最大,采用流动控制后,前两个能量尖峰均得到较为明显的抑制,声压级约降低了5dB,但第三能量尖峰基本没有变化。采用后缘修型之所以能对空腔流场诱导产生的能量尖峰以及噪声产生抑制,原因可能是后缘修型使得气流在后壁面上的撞击强度减弱,进而减弱了在空腔后壁产生的压力波,破坏了空腔流场诱导而产生的振荡回路,从而使尖峰能量以及噪声强度降低。

图3 空腔流场特征曲线Fig.3 Curves of cavity flow characteristics

图4为长深比等于9时,后缘修型对空腔流场特性影响曲线。

图4(a)静态压力分布曲线表明:马赫数为0.6时,基准曲线具有闭式穴流动的特征,气流在空腔前缘分离并向腔内扩张,腔底前壁附近为低压区,之后气流撞击腔底,压力迅速上升,随后气流重新在腔底上附着并向下游流动,压力上升缓慢,在到达空腔后壁面之前,气流再次分离并向腔外偏折,气流再次压缩,压力也再次急剧上升;后缘修型使空腔前壁附近的静态压力有所降低,同时产生了较明显的气流附着区压力平台,这意味着该条件下对空腔后缘修型相当于增大了空腔的相对长度,空腔流场类型开始向深度闭式穴流场形态转变。图4(b)表明:马赫数等于0.6时后缘修型对空腔前半段的总声压级基本上没有影响,但使空腔底部后壁附近的总声压级有明显的降低,原因可能是后壁修型使气流在空腔后壁附近的压缩减弱,从而使噪声的能量减弱。图4(c)表明:马赫数等于0.6时,能量谱分布基准曲线以及后缘修型后的曲线均无能量尖峰出现,后缘修型使所有频率下对应的气动声学能量均有一定降低。马赫数等于1.8时,从4(a)基准静态压力分布可以看出,此条件下的空腔流场类型为开式穴流动,即与前面已经分析过的空腔长深比为7、马赫数等于1.8时的基准流场类型一致,从曲线上可以发现,后缘修型对这两种不同长深比的空腔流场特性的影响规律是一致的,区别仅在于量值上的差异,与长深比为7、马赫数为1.8时的情况相比,此条件下,后缘修型对静态压力以及总声压级影响相对较弱,但对能量尖峰的抑制效果更为明显,此时,基准能量谱曲线上有四个较明显的能量尖峰,采用后缘修型以后,所有的能量尖峰都得到明显的抑制,特别是第一、第二能量尖峰的能量都减弱了5dB左右。

图5为长深比等于12时,后缘修型对空腔流场特性影响曲线。

从图5(a)静压曲线可以看出,马赫数等于0.6时,该条件下的空腔基准流场类型为闭式穴流动,即与空腔长深比为9、马赫数等于0.6时的基准流场类型相同,此时,后缘修型对这两种不同长深比的空腔流场特性影响相似,因此就不再讨论了。我们重点分析该长深比下、马赫数等于1.8时的情况,图5(a)静态压力分布曲线表明,采用后缘修型以后空腔的流场类型从过渡/开式穴流动转变成了过渡/闭式穴流动,压力梯度有了明显的升高,文献[1]表明,超声速条件下,过渡/开式穴流动与过渡/闭式穴流动之间的转化是突发性的,试验参数的细微变化都有可能诱使这种突变发生,就静压分布来说,此时后缘修型是不利的,但从图5(b)总声压级分布以及图5(c)能量谱分布来看,此时采用流动控制是有利的:采用后缘修型以后,腔底最大声压级降低了约5dB,同时能量谱分布曲线上也不再有能量尖峰出现。

图5 空腔流场特征曲线Fig.5 Curves of cavity flow characteristics

图6为长深比等于15时,后缘修型对空腔流场特性影响曲线。

图6 空腔流场特征曲线Fig.6 Curves of cavity flow characteristics

图6(a)基准静态压力分布表明,这两种试验马赫数下,空腔的流场类型均为闭式穴流动,腔后缘修型后的静态压力曲线有较大的气流附着区压力平台,但静态压力最大值基本上没有变化,6(b)总声压级分布曲线以及图6(c)能量谱分布曲线则表明腔后缘修型后的气动噪声得到了一定的抑制,这进一步证实了以上关于后缘修型对具有闭式穴流场类型的空腔流场特性影响的结论。

3 结 论

通过上述分析,得到以下结论:

(1)空腔流场为开式穴流动时,腔后缘修型有利于腔内噪声的抑制和能量尖峰的抑制,并能使腔内的静态压力梯度有所降低;

(2)空腔流场为过渡式穴流动时,腔后缘修型有利于腔内噪声的抑制和能量尖峰的抑制,但使腔内的静态压力梯度略有升高;

(3)空腔流场为过渡/开式穴流动时,腔后缘修型有可能导致空腔的流场类型向过渡/闭式穴流动转变;

(4)空腔流场为闭式穴流动时,腔后缘修型有利于腔内噪声的抑制,对静态压力梯度影响不大。

[1]STALLINGS R L Jr,WILCOX F J Jr.Experimental cavity pressure distributions at supersonic speeds[R].NASA TP 2683,1987.

[2]PLENTOVICH E B,STALLINGS R L Jr,TRACY M B.Experimental cavity pressure measurements at subsonic and transonic speeds[R].NASA TP 3358,1993.

[3]CATTAFESTA L,WILLIAMS D,ROWLEY C,ALVI F.Review of active control of flow-induced cavity resonance[R].AIAA 2003-3567.

[4]吴继飞,罗新福,范召林.亚、跨、超声速下空腔流场特性实验研究[J].实验流体力学.2008,22(1):71-75.