低速风洞固定地板附面层控制实验研究

汤 伟, 陈 立, 王 辉, 张平涛(1. 西北工业大学 航空学院, 西安 71007; . 中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所, 四川 绵阳 61000)

低速风洞固定地板附面层控制实验研究

汤 伟1,*, 陈 立2, 王 辉2, 张平涛2
(1. 西北工业大学 航空学院, 西安 710072; 2. 中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000)

在飞机起降和车辆的风洞试验中，通常采用固定地板来模拟地面，但固定地板附面层的存在对试验数据产生了不可忽略的影响。因此，需要采取一定措施控制地板表面上的附面层影响。采用附面层吸除方法对于中国空气动力研究与发展中心8m×6m低速风洞的大面积地板来说效果较好、可行性高。研制了含有可单独控制的48个吸气单元共192个吸气孔的地板，集成了以水环真空泵组为基础的真空吸气和控制系统。在70m/s的风速下，通过试验获得了10种地板分布式吸气控制方案对地板附面层厚度的影响规律，得到了将附面层厚度控制在30mm的最佳吸气控制方案。在最佳控制方案下，测量得到风洞流场气流偏角为-0.14°，验证了附面层厚度不受地板在风洞中安装高度的影响。最后，采用C919飞机模型完成了吸气地板和不吸气地板的对比试验，得出在迎角8°以上，吸气地板使C919飞机试验获得的升力系数减小，阻力系数增加，俯仰力矩增加。

固定地板；吸气地坂；附面层；8m×6m风洞；试验技术

0 引 言

飞机起降过程和车辆行驶中，空气绕流因为受到地面的影响而与在自由大气中的流动有所不同，从而产生附加的下压力或者升力，影响飞机和车辆的操纵性和稳定性，这种现象就是地面效应[1]。

目前，风洞试验地板是研究地面效应的主要装置，其中固定地板运用比较广泛。但固定地板在模拟地面效应时，由于地板表面存在附面层，试验模型与地板之间的流场特征与真实情况存在较大差异，影响到最终试验结果的准确性。对于车辆而言，如果地面附面层厚度大于被测车辆离地间隙的 10%时，所测阻力减小，升力增大[2]。对于飞机而言，地面效应使飞机的升力线斜率增加、诱导阻力减小、纵向安定度增加[3-4]。因此需要在试验中采取措施控制地板的附面层，文献[5]中总结了层流附面层的控制方法：移动固壁、附面层加速(吹除)、抽吸、外部介质射流、外形优化和壁面冷却。目前对固定地板的改进设计主要在前3个方面展开，分别有活动地板、吸气地板和吹气地板。

吸气地板是将地板附面层内的低能量气体吸除，从而避免附面层的增厚与分离。此时必须进行吸气所引起的气流方向偏斜修正，且吸气量足够吸除附面层即可，不能太大，否则会使流动条件受到破坏[6]。 R．Wulf[7]于 1975 年为哥廷根空气动力研究所的 3m×3m开口低速风洞研制了带附面层均匀抽吸装置的地板。同济大学 TJ-2 号风洞采用上游基础均匀抽吸法，抽吸后试验模型前附面层位移厚度由不抽吸的 12mm 下降到 5mm，降幅达 50%[8]。北京空气动力研究所在 FD-09航空风洞改建为汽车模型风洞中采用开槽内部吸气法进行附面层控制，抽吸之后地板中间位置附面层厚底下降 28.6%，且横向分布均匀[9]。国防科学技术大学的KD-03风洞采用了交错布置的多孔变流量附面层均匀抽吸地板，并应用于高速列车的模型试验[10]。

虽然从20世纪80年代以来，国内外就对吸气地板进行了研究和应用[6-14]，但主要还是集中在汽车风洞和3m以下尺寸的航空风洞，试验风速较低，抽吸流量较小。国内在吸气地板应用方面的相关工作较少，且从未在大型生产型航空风洞中做过应用研究。仅在中国空气动力研究与发展中心的Φ3.2m低速风洞建立过活动带地板系统用来控制附面层[3]。与活动带地板相比，吸气地板的优势在于设计制造难度较低，易于实施，成本较低，且效果类似[15]。为了提高大型低速风洞地面效应试验能力，更好地为新型飞机研制服务，结合中国空气动力研究与发展中心8m×6m风洞的具体条件，研制了基于区域的分布式吸气地板附面层控制试验装置。针对常规飞机模型测力试验，开展了不同风速下吸气流量对附面层厚度的影响研究，测量了风洞气流偏角受吸气影响的变化量，同时研究了地板安装高度对吸气和附面层厚度的影响，并完成了一期全机模型吸气和不吸气地板的对比试验研究。

1 实验设备

对固定地板的附面层控制研究，就是要采用合适的吸气结构方式，应对一定的来流速度，找到合适的吸气流量，使地板附面层尽可能地减薄，对外流的影响尽可能地减小。影响固定地板附面层控制效果的主要因素有吸气流量、来流速度、吸气方式等。本文在确定分布式吸气方式的基础上，开展了不同风速、不同吸气流量情况下的固定地板附面层控制研究。

1.1 吸气系统总体结构

试验设备主要包括开孔吸气地板、大流量抽吸设备和吸气控制装置3大部分。为了满足大吸气流量的需求，吸气装置选用了大型水环真空泵组，通过管道连接到开孔地板的下方吸气，具备多路吸气且各路流量分别可控的功能，方便对吸气流量和控制方案进行研究。控制装置基于ProfiBus_DP现场总线构建，完成对吸气管路流量、压力的控制运算。吸气系统构架图如图1所示，系统主要设备包括：2BEC72A水环真空泵组、气动调节阀、主管路调节蝶阀、补气调节阀、槽道流量计、压力传感器、工控主机及PLC主从站、吸气主管路及各支路等设备。

1.2 分布式吸气地板结构设计

地板吸气方式一般有开槽和开孔2种方式，随着加工技术的不断进步，在地板上加工出大量的吸气孔已不是难题，且开孔方式有利于吸气的均匀性和流量的控制。因此，本项工作采用开孔方式的地板结构。

8m×6m低速风洞固定地板长12m，宽5m，总面积60m2。由于地板面积较大，为了便于控制附面层分布，保证附面层吸除的均匀性，需采用分布式吸气方案。地板吸气区域为12m×5m，整块地板均匀分布了192个吸气开口。为了方便进行流量控制，将其吸气开口分割为48个密闭的吸气单元。为了保证每个单元内吸气的均匀性，在表面开孔板和吸气管道之间架设了用于整流的阻尼网和铝蜂窝板。如图2所示。

同时，为了实现对附面层厚度及分布的调节，48个吸气单元可通过管道结构自由组合成16个吸气区域，连接到16个可独立控制流量的管道和阀门。目的是为了不同的试验需求，自由设定地板各区域的流量要求，如图3所示。

2 实验内容及方法

在空风洞的情况下，调节16个吸气区域的吸气流量并测量地板附面层厚度，最终获取使附面层厚度最小的最佳流量控制方案。

2.1 附面层厚度测量方法

由于风洞地板的总面积达到60m2，只有通过交错分布的多个总压耙测量才能较为准确地获得整个地板的附面层厚度分布情况。根据以往经验，试验时同时使用5个总压耙，高度分别为150、150、300、300和450mm。试验时同时以距离地板上表面高度1.5m处的风速管数据作为静压参考。

测量横向附面层分布时，总压耙平行布置。测量纵向(顺流向)附面层分布时，可将顺流向不同位置处的总压耙在横向均匀错开布置，减小每个耙所受上游总压耙的影响，如图4所示。如此可以在调节吸气流量分布时，实时监测地板附面层厚度顺风向分布的变化。

2.2 附面层厚度测量内容

针对常规的飞机模型测力试验，表1中给出了10种主要的区域吸气流量配置研究方案。为了保证横向附面层厚度的一致性，地板左右吸气单元的流量保持相同。在表1的流量配置方案下，分别测量风速50和70m/s时的地板横向和纵向的附面层厚度。

表1 吸气流量配置方案表Table 1 Different suction flow configurations

3 实验结果分析

试验首先测量了流量系数分别为0(不吸气)和不为0的工况下，地板横向的附面层厚度δ分布。测试结果表明，不吸气时，地板横向的附面层厚度是一致的；吸气工况下，只要地板两侧的管路流量保持对称，就能够确保附面层横向分布均匀。

在确保附面层横向分布一致的情况下，测量了不同吸气流量系数Cq(系统实际吸气流量与风洞内的总流量之比)和不同风速下的纵向附面层厚度分布。图5中曲线表明，在流量系数不变(总流量不变)的前提下，通过调节流量分布，可以对附面层分布产生明显的影响。流量集中在前半区域的配置方案2使附面层厚度整体明显下降，中心附面层厚度最低，但后半部分附面层很快增厚，使整体附面层分布极不均匀；采用流量集中在后半区域的配置方案3时，地板前半部附面层自由发展，后半部均匀吸气容易使整体附面层分布均匀，但附面层厚度下降最少；采用前半部流量占优、总体流量分布相对均匀的配置方案1时，附面层控制效果最好。这一结果表明，应当将附面层开始增厚的前部区域作为厚度控制的重点。

与图5的曲线相比，图6的曲线表明吸气流量越大，附面层吸除的整体效果越明显。图6中流量配置方案5显示出最优的附面层控制效果。

根据配置方案5的流量分布方式，适当增大总体流量，得到了70m/s风速下最佳的流量配置方案8。此时，流量控制系数为0.0031，地板中部区域附面层厚度为30mm，最靠近地板后缘的测点测得附面层厚度不超过50mm，如图7所示。

吸除附面层必然会影响风洞气流的流动，导致流场发生变化。根据文献[9]的测量结果，采用吸气地板和普通地板，其风洞的动压分布均匀性和湍流强度基本相同，因此对流场品质影响不大。吸气地板最主要的影响在于会引入方向向下的速度，导致气流向下偏转，因此必须测量出气流偏角用于后续试验数据的修正。在最佳流量配置方案8下，使用6根七孔探针测量气流偏角，考察吸气对于气流偏角的影响。探针距离地板上表面的高度分别为30、80、130、230、330和430mm。根据平均测量值和带模型试验换算的结果，实际气流偏角约-0.14°，略低于理论计算得到的值-0.17°。这应是因为模型区附近的地板两侧边缘存在局部不吸气的区域，从而减弱了吸气下洗的效果。该测试结果可作为后续带模型试验的迎角修正依据。

此外，还进一步抬高地板在风洞中的安装高度，以研究附面层厚度受到的影响。在最佳流量配置方案8下，将地板升高0.5m，使其上表面距离风洞底壁约1.5m，而后重新测量速压控制系数和附面层厚度。结果表明地板升高后速压控制系数增大了0.002，但对附面层厚度及分布的影响可忽略。这说明地板高度变化不大的情况下，无需重新标定附面层的参数，也无需调整吸气系统的流量配置方案。

总的来说，分布式吸气对于固定地板的附面层控制的效果很明显。通过区域流量控制，可以将整个12m长的地板附面层降低一倍以上，且前后附面层厚度差距不大。对称情况下的吸气对整个风洞流场的气流偏角影响也较小。

4 客机模型的地效对比试验

为了进一步研究附面层控制效果对实际风洞模型试验的影响情况，采用了C919的1∶7.636全机模型，针对风速70m/s进行了吸气和不吸气地板下的对比试验。试验条件如下：以平均气动弦长为参考长度的雷诺数约为2.43×106。迎角范围-2°～14°，侧滑角范围-12°～12°。试验模型采用单支杆斜背撑方式支撑，支架干扰修正采用型号试验的空中状态(背撑)支架干扰量。

试验时采取固定模型高度变姿态角的方式进行。固定高度变迎角试验时参考DNW风洞的地效试验条件，取0°迎角时机身水平构造线距离地板表面高度730mm，此时，着陆状态襟翼后缘距离地板表面高度约1倍平均气动弦长。近地状态的变迎角试验采用步进测量。

图8是着陆构型近地状态的试验结果。从曲线中可以看到，迎角低于8°时，吸气地板与固定地板的试验结果一致；迎角高于8°时，吸气地板与固定地板试验结果比较，升力系数减小，阻力系数增加，俯仰力矩增加。这符合地面效应的变化规律，与DNW风洞A320的研究结果一致[16]。

5 结 论

针对大面积固定地板，提出了新的分布式吸气地板附面层控制方案。通过试验研究，验证了分布式吸气方法对固定地板附面层进行控制的有效性，获得了使附面层厚度最小的最佳吸气流量控制方案。在此方案下研究了吸气对气流偏角的定量影响，明确了固定地板安装高度对附面层厚度影响可以忽略。最后，将该方案在C919大型客机的地面效应试验中进行了验证，获得了可靠地效试验结果。该项工作的完成提升了中国空气研究与发展中心8m×6m风洞地面效应试验能力，对新型飞机近地性能评估及优化试验研究有重要意义。这也是下一步精细研究固定地板附面层控制方法和地面效应问题的基础。

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(编辑：李金勇)

Experimental study on the control of fixed floor boundary layer in low speed wind tunnel

Tang Wei1,*, Chen Li2, Wang Hui2, Zhang Pingtao2

(1. School of Aeronautics Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In the wind tunnel test of aircraft-taking-and-landing and vehicles, the fixed floor is used to simulate the ground. The existence of the fixed floor boundary layer has an influence on the test data. Generally in order to obtain full and reliable experimental data close to the ground state, various methods can be used to eliminate the boundary layer influence on the surface of the ground floor. Considering the effect and feasibility of large area fixed floor, we have put forward the suction control method of boundary layer thickness in the 8m×6m wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center. The fixed floor with 48 suction units and 192 suction holes, which can be individually controlled, is developed. Based on the water ring vacuum pipe, a vacuum suction and control system is designed. Through the experiments, 10 kinds of boundary layer thickness control option are analyzed at the wind speed of 70m/s. Then we get the optimal control option with 30mm boundary layer thickness. At this optimal option, the influence on the flow angle is -0.14° and the height of the floor is also investigated. In the end, the suction floor system is applied in the wind tunnel test of C919, where it is found that at the angle of attack more than 8°, the lift coefficient decreases, the drag coefficient increases and the pitching moment increases.

fixed floor;suction floor;boundary layer;8m×6m wind tunnel;test technique

2016-04-14;

2016-07-18

TangW,ChenL,WangH,etal.Experimentalstudyonthecontroloffixedfloorboundarylayerinlowspeedwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 93-97, 103. 汤 伟, 陈 立, 王 辉, 等. 低速风洞固定地板附面层控制实验研究. 实验流体力学, 2017, 31(2): 93-97, 103.

1672-9897(2017)02-0093-10

10.11729/syltlx20160066

V211.3

A

汤 伟(1980-)，男，安徽六安人，硕士。研究方向：实验流体力学。通信地址：绵阳市二环路南段6号(621000)。E-mail：503939666@qq.com

*通信作者 E-mail: 503939666@qq.com