暂冲式风洞大开角扩散段性能的实验研究

黄知龙,张国彪,刘晓波,耿子海

(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

风洞设计中为了提高实验段的流场品质,需增大风洞的收缩比,这导致稳定段截面积增大,与进气管道截面具有较大的面积比。采用常规小角度扩散的扩散段实现进气管道到稳定段的过渡会导致扩散段长度过长,很不经济。若采用大扩开角的扩散段,则可在较短距离上实现大面积比的过渡,节省经费投入。基于此目的,中国空气动力研究与发展中心的FL-23直流式下吹跨超声速风洞、FL-24半回流引射式跨声速风洞、美国NTF低温高雷诺数风洞和西欧ETW风洞在稳定段前均配置了大开角扩散段。

在大开角扩散段内由于沿气流方向截面积的变化过快,壁面逆压梯度过大,会导致严重的气流分离。为了抑制壁面气流分离,最普遍的方法是在大开角段内引入多层防分离丝网或孔板。由于在高速区域防分离网的压降大于低速区域(如边界层内),则防分离网下游的气流速度分布相对上游更均匀,且边界层内不易发生分离。由于大开角内流动的复杂性,目前大开角段内防分离丝网的设计主要还是基于20世纪70年代Mehta[1]和ESDU[2]的经验数据或图表。同时,Elder、Owen和Zienkiewicz等人提出了管道内丝网对流动影响的多种理论分析方法。且Ross[3]等人通过求解修正的欧拉方程获得了较详细的流场结构。然而目前的数值研究和理论分析方法还难以实现丝网(孔板)对流动影响的真实模拟和评估,特别是在扩散段内气流存在分离的情况下。另外,数值方法对气流噪声、湍流度等动态参数难以得到满意的结果。

对于均匀开孔的孔板数值模拟,若将每个孔都生成网格计算流体穿越,无孔的部分直接作为固壁边界处理,则可获得真实的流场特性,但计算网格规模巨大,在目前的计算机能力下,该方法有很大困难。常采用的处理方法是考虑多孔壁的宏观效应,建立反映多孔壁宏观效应的计算模型,将多孔壁作为边界条件来处理,而不模拟多孔壁中流动的细节[4-5]。但孔板计算模型的建立仍然存在困难,且流场计算结果对边界条件的依赖性较强[6],需要实验提供孔板的压力损失。因此,在工程上的设计还主要依赖于实验结果。

对于暂冲式风洞,大开角扩散段一般位于调压阀后,入口具有较大的压力脉动和流动速度。大开角段内壁面通常设计成简单的锥形扩张型面,以使工艺制作简单。也有采用呈一定曲率的型面壁设计,如NTF低温高雷诺数风洞,沿壁面具有较小的逆压梯度,对边界层分离具有减轻的作用,但难以加工。大开角扩散段内防止气流分离的装置通常采用中心锥加孔板的组合。除了中心锥和孔板外,还可以采用分离隔板的方案,即在大开角段内的气流通道采用若干个纵向隔板将大开角段分割成多个具有较小扩散角的扩散段。研究表明大开角扩散段的设计应注意扩开角的选择及其与中心锥参数的协调、孔板开孔率及孔板在大开角内的安装位置等[7]。关于在大开角扩散段内设置整流孔板的实验研究成果还未见到公开发表的相关文献。

笔者在中国空气动力研究与发展中心改造后的FL-22风洞针对大开角扩散段开展了专项研究,主要进行了扩散段扩开角、孔板开孔率和中心分流锥的组合实验,并分别从压力损失、出口截面速度分布和降噪特性等三个方面进行了对比分析,获到了相对优化的大开角扩散段组合参数。

1 实验方案及装置

大开角实验件外形轮廓为轴对称型,共设计有7套,由扩散段外壳体、中心分流锥及沿气流方向布置的两层均匀开孔的孔板组成,见图1。大开角扩散段段入口直径φ 450mm,出口直径φ 1200mm,分流锥长度150mm,锥顶位于入口截面中心处,其轴线与风洞轴线重合,分流锥周向开压力平衡孔。分流锥下游布置两层球状孔板,其中第一层孔板球半径R770mm,开孔率52%,孔径10mm,板厚14mm,距离入口截面距离350mm,第二层孔板球半径R850mm,开孔率25%,孔径10mm,板厚14mm,距离入口截面距离765mm。孔板具体参数见表1。研究内容可分为以下4种：(a)变扩开角;(b)变中心分流锥角度,无导流尾锥;(c)定中心分流锥角度,变导流尾锥;(d)变孔板开孔率。

图1 大开角扩散段轮廓Fig.1 Outline of wide-angle diffuser

研究实验以中国空气动力研究与发展中心FL-22暂冲下吹式风洞为平台,见图2,进行了必要的改造。通过柔壁喷管和调压阀组合控制大开角扩散段入口气流速度和压力,在大开角入口段和出口段截面设置总压排架和壁面噪声测点。总压测量采用差压传感器,噪声测量采用脉动压力传感器。

2 实验结果与分析

(1)压力损失

各大开角扩散段实验件在某状态下(入口截面马赫数Ma≈0.3,总压p0≈1.57×105Pa)的压力损失对比见表2。其最大压力降约11.2kPa,出现在有68°导流尾锥(实验件G)的状态。其它扩开角与中心锥组合的6种实验件的压力损失值近似,45°角+65°锥(实验件D)的压力损失相对偏小。

表2 大开角扩散段压力损失Table 2 Pressure loss of wide-angle diffuser

实验件G压力损失明显偏大,笔者认为其原因是增加导流尾锥后,中心分流锥底部难以形成稳态的分离涡所导致的压力波动所致,而平底的中心分流锥底部则可形成两个稳定的对称分离涡,不易脱落。三维的数值模拟的结果[8]也证实了这一分析,见图3。

(2)剖面速压分布

各大开角扩散段实验件出口截面相对速压分布对比见图4,由7点总压全排架测得,各测点以风洞中心线对称布置。测试结果表明扩散段出口截面的速压分布比较紊乱,均未出现理想的直匀流状态,核心区域速度低,四周速度高,但仍然呈现以全排架中间点对称分布的双驼峰趋势。而无整流孔板时扩散段出口截面轴向速度分布表现为核心流速度高,四周速度低[9]。该现象是由于孔板的阻滞作用过大所致。开孔率偏高的实验件C较开孔率偏低的实验件E的出口剖面速度相对均匀也验证了该观点。通过精心调整第二孔板安装位置或改变孔板的局部开孔率可达到均匀的出口截面速度分布。就目前的7套实验件,以“45°扩散角+55°平底分流锥”的实验件D出口截面速度分布相对平滑。

图3 有无导流尾锥的流线图Fig.3 Stream lines with or without tail cone

图4 大开角扩散段出口截面相对速压分布Fig.4 Relative dynamic pressure distribution in theexit cross section of wide-angle diffuser

(3) 降噪性能

各种大开角和分流锥实验件组合的降噪量见表3,各种大开角组合实验件总的消声量约为 12～14dB。实验件G的降噪量最大,压力损失亦最大,实验件A的降噪量最小。总的消声效果：45°扩开角优于60°扩开角。而45°扩开角时,55°平底分流锥的消声量高出60°平底分流锥约0.8dB,略低于55°带导流尾锥的分流锥消声量。

表3 大开角扩散段降噪量Table 3 Noise reduction values of wide-angle diffuser

各种大开角扩散段组合实验件入口和出口典型的1/3倍频程频谱特性见图5。可以看出各实验件在各频率的消声特性基本相似。对频率在2000Hz以上的气流噪声具有较强的消声能力,而对于1000Hz以下的低频气流脉动噪声消声能力较差。图6给出了大开角扩散段出口和入口压力波动的典型对比结果,表明气流经过设置有多层孔板的大开角扩散段后,波动幅度明显降低,气流脉动得到有效地抑制。

图5 大开角扩散段降噪1/3倍频程特性Fig.5 Frequcency spectrum characteristics of 1/3 noise octave for wide-angle diffuser

3 结 论

基于对现有大开角实验件的压力损失、出口截面速压分布和降噪性能等对比分析,得到以下结论：

(1)大开角扩散段配置多层孔板可以抑制管道内气流分离,降低气流噪声和气流脉动;

图6 大开角扩散段出口和入口截面压力脉动Fig.6 Pressure fluctuation of the exit and entry cross sections of wide-angle diffuser

(2)多层孔板对消除气流的高频噪声能力较强,对消除低频噪声则较弱;

(3)中心体整流锥增加导流尾锥并不能有效改善流动,反而可能导致不利的影响;

(4)实验件C和D综合效果相对最佳。

[1] MEHTA R D.The aerodynamic design of blower tunnels with wide-angle diffusers[J].Prog.Aerospace Sci, 1977,18：60-120.

[2] BOREYSHO A S.Performance of conical diffusers incompressible flow[J].ESDU,1973,24：386-395.

[3] ROSS J C.Theoretical and experimental study of flow control devices for inlets of indraft wind tunnels[R]. NASA TM 10050,1989.

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[6] GRUM ET A A,WELDER W T.Navier-Stokes analysis of NWTC back leg diffuser[R].AIAA-97-0094, 1997.

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[9] SELTSAM M M.Experimental and theoretical study of a wide-angle diffuser flow with screens[R].AIAA-94-2510.