细长体大迎角非对称流动的高速PIV风洞试验研究

贺 中，吴军强，蒋卫民，吴继飞

（中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000）

0 引 言

为了提高先进战斗机和战术导弹的作战效能，通常对其飞行的机动性和敏捷性提出了很高的要求。飞行器的高机动、高敏捷往往是通过大迎角飞行甚至过失速机动来实现的。然而，具有细长前体构型的飞行器在大迎角绕流中会出现明显的非对称涡系流动及其伴随而来的非对称力（矩），如图1。

图1 前体涡示意图Fig.1 Schematic of forbody vortex patterns

自从发现细长体在大迎角、零侧滑角下会出现流动非对称以及非对称气动力现象以来，国内外对此已经开展了大量研究［1－15］，经过数十年的努力，对细长体大迎角非对称流动的认识也越来越深入。然而大迎角流动十分复杂，对各种影响因素都极其敏感，主要包括迎角、头尖扰动、前体横截面形状、头尖半顶角、头部钝度、长细比、Reynolds数、Mach数等。目前还有许多问题有待研究，其中尤其是压缩性效应（Mach数影响）的系统研究相对较少。由于在低速范围非对称涡产生的非对称侧向力系数和偏航力矩系数显得比较大，再加上低速研究条件比较充足一些，所需研究成本也低一些，因此以前研究大多数集中于低速范围。但是，飞行武器也常常在高速飞行时碰到这种非对称涡的问题，尤其是战术导弹的大部分机动飞行出现在高速范围。因此，空气动力学科的发展和现代飞行器的研制都需要进行高速非对称涡现象研究，系统地研究大迎角流动特性的压缩性影响。

由此，在中国空气动力研究与发展中心高速所0.6m亚跨超声速风洞中，以尖拱细长旋成体为研究对象，通过模型表面压力测量、粒子图像测速（PIV）等测量手段，对高速条件下细长旋成体大迎角非对称流动开展了较为系统的试验研究。本文重点介绍了其中采用PIV技术对细长体大迎角流动的空间流场测量的试验结果，通过对测量得到的涡量分布、速度矢量分布的变化的分析，讨论了高速条件下细长体大迎角非对称流动的变化情况。

1 试验设备与模型

1.1 风 洞

试验于2010年8月在气动中心高速所FL－23 0.6m高速风洞中完成。该风洞是一座试验段横截面尺寸为0.6m×0.6m的直流暂冲下吹式三声速风洞，风洞M数运行范围为0.3～4.0。试验中采用可投放的下单臂迎角机构，其机构迎角范围为－10°～50°。

1.2 试验模型

试验模型采用尖拱－圆柱旋成体模型，其圆柱段直径D为0.05m，尖拱段头部长度为3D，模型总长为10D。该模型兼顾测压试验，模型表面上布置了9个剖面共计172个测压点。为了考察头部扰动与非对称流动的响应关系，模型的头尖段（轴向长为0.02m）可任意旋转周向角度。采用陶瓷小球作为模型头尖部人工微扰动。小球直径约为0.1mm，人工微扰动粘贴在模型头尖部。在进行PIV试验时，为了防止模型表面反光，对模型表面喷涂了黑色涂料。试验模型在风洞中照片见图2。

图2 模型在风洞中照片Fig.2 Photo of the test model in the wind tunnel

1.3 PIV测试系统

粒子图像测速（PIV）可得到流场一个切面内各点的速度、涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。PIV系统由硬件和软件两部分组成：硬件主要由示踪粒子发生器、双脉冲激光器、光路系统、数字相机、图像校准板、同步控制器、图像采集板和计算机组成；软件包括图像采集、显示、速度场计算处理和分析显示软件。

示踪粒子发生器有40个Laskin喷管，可使用DEHS或橄榄油作为粒子材料；双脉冲激光器为KSP－600，波长532nm，单脉冲功率600mJ，系统配备了1.8m长的激光光导臂，有三个活动关节；CCD分辨率为2k×2k。图像处理软件为MicroVec3，软件具有图像采集、速度场计算处理和显示功能。本次试验采样祯频为5Hz，每次采集15帧速度场。速度场网格32像素×32像素。测量结果用Tecplot软件进行处理。

2 试验结果及分析

PIV试验测量尖拱旋成体的横截面流场，测量剖面位置分别为x／D＝2.0、3.35、5.35，M数范围为0.4～1.2，迎角为40°，侧滑角为0°。

2.1 自然扰动下的测量结果

图3（a～c）分别给出了在自然扰动情况（不加任何人工扰动的基本外形状态）下，M＝0.4、0.6、0.8和α＝40°时，x／D＝3.35测量截面的PIV试验结果。该截面位于紧靠尖拱头部结束后的等直段，低速情况下的大量研究结果以及这两期高速测压结果表明，x／D＝3.35截面附近的流动非对称性最大。

图3 自然扰动下x／D＝3.35截面的PIV测量结果Fig.3 PIV test results at x／D＝3.35with nature disturbance

PIV测量结果显示，在自然扰动情况下，M＝0.4和0.6（对应的横流马赫数Mc＜0.42）时，x／D＝3.35截面处都可以看到除物面附近的2个涡外，还存在一个漂离物面的脱落涡。而M＝0.8（对应的横流马赫数Mc＝0.514＞0.42）时，没有漂在空间的脱落涡，说明在该条件下头尖部生成的一对涡的非对称性发展相对更弱。

2.2 人工扰动下的测量结果

图4分别给出了在人工扰动（γA＝315°）情况下，M＝0.4、0.6、0.8和α＝40°时，测量的x／D＝2.0截面和x／D＝3.35截面的PIV试验结果。

当头尖部粘贴微扰动后，可以清楚地看到x／D＝3.35截面有微扰动的同侧涡升高，涡量增强，非对称性增加；并且，从x／D＝2.0截面的流场图看，此时仍然是2涡系，说明人工微扰动确实能够影响背风涡系结构。其影响机制是，人工微扰动引入的干扰在附面层中沿流向非线性放大，导致同侧涡位置升高形成高位涡（PIV结果显示还导致3涡系在模型轴向位置提前），而不是人工微扰动本身产生一个涡来改变背风涡结构。

图5分别给出了在人工扰动情况下，M＝0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和α＝40°时，测量的x／D＝5.35截面的PIV试验结果。x／D＝5.35截面的流场结构与x／D＝3.35截面相似，只是漂离的高位涡位置更高，靠近物面的一对涡系的涡量增加。随来流M数增加，流动结构显示为两类：一类是M＝0.4和0.6时的三涡系结构，此时对应的横流马赫数Mc＜0.42；另一类是M＝0.8、1.0和1.2时的两涡系结构，并且随M数增加对称性增强，此时对应的Mc＞0.42。

图4 人工扰动下x／D＝2.0和3.35截面的PIV测量结果Fig.4 PIV test results at x／D＝2.0 ＆3.35with artificial disturbance

图5 人工扰动下x／D＝5.35截面的PIV测量结果Fig.5 PIV test results at x／D＝5.35with artificial disturbance

前期的测压试验结果［16］显示，马赫数变化对尖拱细长旋成体非对称流动的影响存在一个临界值（大致为横流马赫数Mc＝0.42），可以分成两个影响区间：在Mc＜0.42范围，总侧向力随M数增加而增加，流动非对称性增强；当Mc＞0.42后，总侧向力随M数增加而迅速减小，流动非对称性减弱。而本次对空间流态的PIV测量结果表明，无论自然扰动还是人工扰动情况下，这一结论仍然存在。

图6分别给出了人工扰动贴在γA＝135°和315°情况下，M＝0.4和α＝40°时x／D＝3.35截面的PIV试验结果。从头尖微扰动粘贴在左右对称的相对位置时的流场观测结果，可以看出，微扰动粘贴位置从一侧改变到对称的另一侧，都使粘贴微扰动同侧的涡位置升高，因而图6（a）和图6（b）近似于镜像对称。该结果说明，在高速（跨临界雷诺数范围）情况下，头尖部的微扰动仍然能有效地影响流动的非对称性。

图6 不同人工扰动位置下的PIV测量结果Fig.6 PIV test results with different positions of artificial disturbance

虽然PIV测量的流动结构显示了在高速情况下模型头尖部人工微扰动仍然起作用，即模型头尖部人工微扰动与非对称涡（空间流态）之间存在确定的响应关系，但在测压结果显示的模型各截面的侧向力（物面上的气动力）与模型头尖部人工微扰动的响应关系并不象低速情况下那么明确，即文献［14］等提到的双周期和双稳态现象，以及人工扰动情况下旋转不同模型头尖得到的侧向力变化趋于一致。作者认为应该从雷诺数影响方面找原因。

由于试验条件的限制，所进行的高速风洞试验的试验雷诺数主要处于跨临界雷诺数范围。图7给出了本次试验中通过模型表面压力测量获得的典型测压曲线结果，从截面压力系数变化曲线可以看出流动表现为跨临界Re数的流动。绕模型的附面层流动经历从层流到湍流，模型两侧边界层发展不对称引起的对模型表面压力的不对称，要大于非对称涡引起的模型表面压力不对称。本次试验结果还表明，在临界Re数范围（ReD＝0.2×106～2.0×106），Re数对尖拱细长旋成体大迎角非对称流动有明显影响，Re数效应与压缩性效应混杂，要研究纯粹的压缩性效应影响，必须扣除Re数效应影响因素。

图7 典型测压结果Fig.7 The results of pressure measurement

3 结 论

（1）在高速情况下，细长旋成体的大迎角流动仍然可能出现非对称的多涡系流动结构；

（2）压缩性对细长旋成体大迎角流动的非对称性有影响，横流马赫数Mc＝0.42是一个临界值，小于该值则存在较明显的非对称性，大于该值则非对称性显著减小；

（3）模型头尖部人工微扰动与大迎角非对称涡（空间流态）之间存在确定的响应关系，但对高速测压结果影响规律不明显；

（4）压缩性效应和Re数效应均对流动非对称性产生影响，研究压缩性效应必须考虑Re数效应。

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