0.6m连续式跨声速风洞槽壁试验段数值模拟

丛成华，廖达雄，王海锋，陈吉明

（1.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；2.中国空气动力研究与发展中心 设备设计及测试技术研究所，四川 绵阳 621000）

0 引 言

在先进飞行器研制日趋精细化、一体化要求下，作为提供飞行器设计最原始依据的风洞试验向模拟真实化、测量精细化、试验高参数化和手段综合一体化方向发展，除依靠提高风洞试验测量精度和改进试验技术的途径外，必须尽快建立高性能大型连续式跨声速风洞。

在跨声速风洞中，试验段被包围在驻室内，与大气隔绝。试验段壁板采用开槽通气壁，一方面是使试验段入口为声速的气流继续膨胀，得到Ma＞1.0的低超声速流动；在高亚声速试验时还可以避免试验时风洞发生堵塞。槽壁试验段内的流动比较复杂，在槽壁附近存在边界层流动、剪切流、分离流动、漩涡，流场中有亚声速区又有超声速区，开槽试验段的设计水平对提高试验段流场品质具有决定性作用。

为提高试验段气流品质，从20世纪50年代开始，针对跨声速风洞试验段壁板的设计就开展了大量的试验与数值模拟研究工作，建成了以美国NTF（National Transonic Facility）和欧洲 ETW（European Transonic Wind tunnel）为代表的跨声速风洞，支撑了其基础与应用基础研究和工业制造的发展。在试验方面，Wright在Langley 8英尺风洞中研究了开槽外形对低超声速和高亚声速流动均匀性的影响［1］；Nelson研究了开槽宽度、深度、外形、间距对马赫数分布的影响［2］；Little对不同构型槽壁和再入调节片进行了研究［3］；Everhart进行了深入系统的研究［4－5］，获得了槽壁附近的流场特性，获得了不同情况下流动的偏角数据、马赫数分布、总压比分布；为提高槽壁试验段性能，Bhat对驻室分区抽气进行了详细的研究［6］。近年来，随着计算流体力学的发展，数值模拟在开槽试验段设计中得到了应用。Karlsson研究了不同外形槽壁试验段的流动情况［7］；Jassim对比了不同边界条件下模型的气动力参数后认为粘性效应是影响槽壁模拟的关键［8］；Glazkov对槽壁试验段进行了数值模拟，槽壁附近的速度分布和试验数据较为吻合［9］。随着对试验数据的要求越来越高，近年来国外对槽壁试验段的研究主要集中在降噪和降低洞壁干扰和修正方面。

在国内，对槽壁试验段的研究始于20世纪80年代，范洁川对低速风洞开槽试验段开闭比与减弱洞壁干扰进行了数值和试验研究［10］；韩延良对低速风洞槽板宽度、驻室深度、试验段长度、模型安放位置等参数进行了试验研究［11］；郑国锋理论分析了跨声速风洞试验段气流的加速问题［12］。在数值模拟方面，丛成华等对使用开槽试验段建立低超声速流场进行了数值研究，探讨了开槽截面处的流动机理［13］，对开槽设计具有一定的参考作用。

大型风洞建设是一项投资大、周期长、技术难度高的系统工程，为解决风洞设计与运行等关键技术问题，拟建设试验段尺寸为0.6m×0.6m的连续式跨声速风洞（下文简称为0.6m风洞）作为引导风洞。该风洞采用开槽试验段，用于开展跨声速试验段设计技术研究。从前面的研究中可以看到，槽壁试验段的设计难度高，为降低技术风险，通过数值模拟了解槽壁试验段的流动特性，以减少设计过程中的失误。从风洞建设历程中可以发现，CFD在前期方案设计中起到了越来越重要的作用［13－15］，为此本文以0.6m风洞开槽试验段通气壁板设计结果为基础，通过数值模拟研究试验段的气动特性，验证流场指标的实现程度。

1 试验段主要参数

图1给出了0.6m风洞试验段示意图（图中数值单位为mm），试验段左右壁板采用实壁，上下使用开槽壁，开闭比为10%，壁板长度2350mm，前部为气流加速区，中部为模型试验区，后部为模型支架区，设置主气流引射缝和再入调节片。驻室直径为3000mm，驻室上、下壁对称设置两个抽气口，抽气口中心距试验段进口1500mm。

图1 开槽试验段示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic of slotted test section（unit：mm）

当试验段Ma数处在0.7≤Ma＜1.4时，采用驻室抽气或试验段主流引射，并控制主压缩机来实现整个Ma数范围的运转。在Ma数1.1≤Ma≤1.4时，为了提高试验段流场品质，也可通过调节柔壁喷管到相应的Ma数型面和使用通气壁试验段的组合，来实现所需的试验段Ma数。驻室抽气系统相关抽气参数按照等熵流假定进行计算［13］，抽气量如表1所示。

表1 试验段模型区不同马赫数所对应的抽气量Table 1 Air mass exhausted corresponding Mach number in model region of test section

2 数值方法

2.1 气动建模

以气流流向为x轴，垂直方向为y轴，按右手坐标系法则设定z轴建立坐标系，将试验段下壁板对称面处的入口设定为坐标原点。为模拟试验段的上游喷管，入口前增加530mm，型面按照风洞喷管实际型面数据设计。由于槽壁试验段的横断面为完全的对称外形，取1／4作为数值模拟的模型。为降低网格规模同时保证模拟精度，采用混合网格，试验段和驻室内部靠近开槽处采用结构网格，网格在壁面附近加密；其它部分采用非结构网格。网格数量为400万，外形如图2所示。

图2 试验段网格示意图Fig.2 Schematic for gird of slotted test section

2.2 控制方程

控制方程为N－S方程。在三维笛卡尔坐标系中，其守恒形式为：

其中t为时间，Q为守恒变量矢量，F、G和H为无粘通矢量，Fv、Gv和Hv为粘性通矢量。在流场求解中使用有限体积法，对流项使用二阶线性迎风格式，扩散项使用中心差分格式，隐式离散方程采用LU－SGS方法。湍流模型使用k－ω模型。

2.3 边界条件

入口给定压力入口边界条件，入口总压取稳定段总压，入口静压按照下式给定：

出口给定压力出口边界，抽气口设定为压力出口，具体参阅文献［13－14］。上部和侧面给定对称边界。壁板为绝热无滑移固壁边界。

2.4 数值方法验证

在进行流场特性研究前，使用96万、228万、400万、615万的网格进行了网格无关性研究，图3给出了来流马赫数为0.9使用全槽时试验段模型中心位置处不同网格数量时的马赫数，当网格单元增加到400万时，马赫数基本稳定不变，与615万的马赫数差别为0.0004，小于下文计算均匀区时选择的参考马赫数偏差0.001，为此选择400万网格进行下面的计算。对计算方法的验证可参阅文献［13］，限于篇幅，这里不再赘述。

图3 试验段模型旋转中心马赫数与网格数量Fig.3 Mach number at the model rotating center of test section corresponding to different grid cells

3 数值模拟结果

在试验段设计过程中，一种方案是使用8条全槽，所有开槽位于试验段上下壁面中间部位（简称为全槽）；另一种方案是在靠近两侧壁面处使用半槽，形成了“7条全槽＋2条半槽”的方案（简称为半槽），开槽的具体布置情况如图1所示。下面对两种方案进行了对比。

3.1 高亚声速状态

图4给出了试验段中心处的沿程马赫数分布曲线，两种开槽设计方案的马赫数分布都较为均匀，按照马赫数偏差0.001计算，半槽时均匀区长度为1120mm（x＝310～1430mm），全槽时均匀区长度为1000mm（x＝310～1310mm），较半槽时缩短了120mm。在相同入口条件下，半槽的试验段马赫数较全槽高0.003左右，在试验段后部马赫数增长较快，这与再入调节片的开度有关。从总压分布可以看到，采用全槽试验段壁板时在试验段后部损失较大，因此采用半槽壁板可能有助于降低风洞运行压力。

图4 Ma＝0.9时试验段中心线沿程马赫数和总压分布Fig.4 Mach number and total pressure of the centerline of test section when using full slot and half slot when Ma＝0.9

图5给出了x＝1800mm处靠近对称面处第一条槽附近的边界层速度分布，两种设计方案在距离开槽距离不同时边界层厚度几乎保持相同。全槽较半槽时边界层位移厚度要稍大，由于高亚声速时试验段流动对边界层厚度非常敏感［14］，这可能是使用全槽时试验段马赫数偏低的原因。

图5 Ma＝0.9时第一条槽附近的边界层Fig.5 Boundary layer of the first slot near symmetry in test section using full slot and half slot when Ma＝0.9

另外边界层厚度与驻室气流的流动状态相关，图6给出了距离试验段入口不同站位处的马赫数分布可以看到，使用半槽时侧壁边界层较为均匀，对核心流的扰动较小，从流线可以看到，在试验段前部，气流从试验段流向驻室，而在试验段后部，气流从驻室流向试验段。这与Everhart的试验结果是一致的［4－5］。

图7给出了靠近对称面处第一条槽中心截面的马赫数分布，在试验段上游马赫数分布较为均匀，由于进入驻室的气流流量小，对驻室气流影响较小，在试验段中部，由于较多气流进入驻室，在驻室中卷起漩涡，而气流从驻室进入试验段时，与引射缝调节片相互作用，这可能是噪声的主要来源。驻室内中后部有较低流动速度的涡存在，这会对试验段的流动和噪声产生影响。另外，试验段后部发生了堵塞，形成了低超声速流动，其原因是在x＝1800mm处气流从驻室流向试验段，而试验段截面积在该处并未变化，为消除这一现象，试验段左右壁面应以曲面形式扩开。

图6 Ma＝0.9时距离试验段入口不同站位处马赫数分布Fig.6 Mach number contour at different stations from inlet of test section using full slot and half slot when Ma＝0.9

图7 Ma＝0.9开槽中心处马赫数分布Fig.7 Mach number contour of test section at center of the first slot using full slot and half slot when Ma＝0.9

图8给出了再入调节片附近的流动特性，当前设计条件下，两种情况都会在调节片处形成驻涡，这种非定常流动状态对试验段降噪将是非常不利的。这也说明再入调节片的设计对流动有较大影响，调节片上部的流动加速与调节片开度密切相关。在半槽时，再入区域驻涡与低速流动剪切，而使用全槽时，则是高速区域与驻涡发生剪切，因此使用半槽时流动噪声可能会较低。

3.2 低超声速状态

从图9可以看到，入口的声速气流由于抽气而继续膨胀，获得了马赫数为1.23的低超声速流动，按照马赫数偏差0.008计算，半槽时均匀区长度为750mm（x＝700～1350mm），全槽时均匀区长度为340mm（x＝870～1210mm）；如果按照马赫数偏差0.004计算，半槽与全槽时均匀区长度分别为250mm（x＝900～1150mm）和210mm（x＝940～1150mm），使用半槽方案，均匀区长度会有较为明显的增加。但由于抽气量较大导致对流场产生较大扰动，均匀区长度较小［13］，因此马赫数大于1.2时最好使用低超声速喷管。

图8 Ma＝0.9时半槽与全槽再入流动特性Fig.8 Field characteristics of test section reentry region using full slot and half slot when Ma＝0.9

图9 Ma＝1.2时试验段中心线沿程马赫数Fig.9 Mach number of the centerline of test section when using full slot and half slot when Ma＝1.2

图10给出了开槽附近的边界层分布，在低超声速状态下，距离开槽位置不同边界层厚度差别较大。在开槽中心处，全槽的边界层厚度较半槽薄。从试验段边界层看，由于开槽处的出流影响，在开槽处边界层较远离开槽时边界层薄的多，而在试验段后部，由于驻室气流进入试验段，开槽处的边界层会增厚。

图10 Ma＝1.2时第一条槽附近的边界层Fig.10 Boundary layer of the first slot near symmetry in test section using full slot and half slot when Ma＝1.2

图11给出了距离试验段入口1800mm站位处的马赫数分布，抽气对驻室的影响较大，影响范围距离试验段壁板约150mm，在设计时，在这个距离范围内，沿气流方向不应有障碍物。与半槽对比，使用全槽时，抽气对驻室的影响更为均匀，这可能有利于降低噪声。

图11 Ma＝1.2距离试验段入口不同站位马赫数分布Fig.11 Mach number contour at different stations from inlet of test section using full slot and half slot when Ma＝1.2

图12给出了开槽中心面的马赫数分布，与半槽对比，全槽对驻室的影响稍小。两种方案下入口加速区较长，这可能是开槽截面外形对气体流出的阻力较大引起的。在试验段后部，马赫数分布较为混乱，这可能有两个原因，一是是由于后部引射部分设计引起的，特别是再入导流片的设计；二是可能是由于开槽设计引起的，如果需要增加均匀区长度，可能需要将将开槽尾部向试验段出口处移动。

图12 Ma＝1.2时开槽中心处马赫数分布Fig.12 Mach number contour of test section at center of the first slot using full slot and half slot when Ma＝1.2

4 结 论

根据0.6m风洞试验段气动设计结果，对槽壁试验段进行了数值模拟，并与采用全槽的情况进行了对比，根据前面的论述，可以得到下面的结论：

（1）在当前设计条件下，通过驻室抽气，在亚声速和低超声速，都可以在试验段获得较为均匀的流场；

（2）通过半槽与全槽的对比看，使用半槽优势更大，为了提高试验段均匀区长度，开槽后部位置应向试验段出口移动；

（3）试验段后部尤其是再入调节片附近非定常特征非常明显。

本文对槽壁试验段设计方案进行了初步数值研究，下一步要结合试验对流动特性进行研究，尤其是再入调节片的设计与开度。

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