摘要:對磁懸浮風(fēng)洞的歷史、現(xiàn)狀作了簡要回顧和介紹,提出了建造300mm ×300mm
磁懸浮低速風(fēng)洞(簡稱：MSWT2300) 的設(shè)計思想,給出了MSWT2300 主要部件,包括離心式鼓風(fēng)機、過渡段、大角度擴散段、穩(wěn)定段、收縮段、實驗段。MSWT2300 的建立將結(jié)束我國沒有磁懸浮風(fēng)洞的歷史。
　引　　言
傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗方法,總存在機械支架的干擾,其不利影響主要有[1 ] :
(1) 造成了繞模型流場的畸變;
(2) 影響試驗飛行器幾何外形模擬的準確性;
(3) 限制了飛行器模型平動和轉(zhuǎn)動的范圍;對于動態(tài)試驗,極大地限制了振幅和頻率,從而限制了風(fēng)洞試驗?zāi)芰?
(4) 隨著飛行器向高超聲速、大攻角復(fù)雜流場等方向發(fā)展,對風(fēng)洞試驗及其數(shù)據(jù)精度要求越來越高,復(fù)雜流場受支架干擾的影響也越來越嚴重。
盡管人們研究了各型機械支架,并且提出各種修正公式,甚至通過測試支架本身的氣動參數(shù)對風(fēng)洞實驗結(jié)果進行必要修正,但實際效果仍然有限,這樣迫使科學(xué)工作者去探討沒有機械支架的天平。
1 　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1937 年,美國Virginia 大學(xué)的F T Holms 教授提出風(fēng)洞試驗使用磁懸掛天平(簡稱MSBS) 的概念。1957 年,法國航空研究院(ONERA) 的研究人員Tournier 和Laurenceau 共同發(fā)表了第1 篇介紹磁懸掛天平技術(shù)在風(fēng)洞試驗中應(yīng)用的論文“風(fēng)洞模型的磁懸掛”, 在此文中對磁懸掛天平給出了較完整的解釋。幾十年來,世界上一些著名的研究機構(gòu)和高等學(xué)府,象麻省理工大學(xué)(MIT) ,普林斯頓大學(xué)( Priceton Univ) ,牛津大學(xué)(Oxford U2 niv) ,莫斯科航空學(xué)院(MAI) ,日本國家空間實驗室(NAL) ,NASA Langley 研究中心等, 相繼開展了磁懸浮風(fēng)洞(簡稱MSWT) 的研究。以后的發(fā)展過程中,50～60 年代形成對MSWT 技術(shù)研究的第一個高峰。70 年代該項研究因技術(shù)原因陷入低谷,到80～90 年代,MSWT 技術(shù)再度興旺,據(jù)不完全統(tǒng)計,幾十年來,世界各國建造了不少于20 座磁懸浮風(fēng)洞[2 ] 。
我國對MSBS 技術(shù)的研制起步較晚,至目前為止,并無任何真正意義上的MSWT。我國對該項技術(shù)十分重視, “八五”, “九五”期間都對MSBS 給予了支持。1987 年,我校自動控制系研制了一臺30mm ×30mm 的MSBS ,1994 年研制了一臺150mm ×150mm 的MSBS ,但均未用于風(fēng)洞實驗。本課題在1998 年廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,研制了一座300mm ×300mm 的低湍流度磁懸浮風(fēng)洞(簡稱MSWT - 300) ,以填補國內(nèi)在這方面的空白。
2 　MSWT2300 的特色
根據(jù)MSWT2300 的基本設(shè)計目標和用途,它將具有以下明顯特色。
(1) 磁懸掛天平技術(shù)
采用磁懸掛天平技術(shù),消除模型機械支架對風(fēng)洞試驗的干擾。充分利用現(xiàn)有技術(shù)和實驗室條件,對磁懸浮風(fēng)洞模型實驗技術(shù)進行研究,達到當前國內(nèi)外比較先進的水平,是MSWT2300 研制的基本思想和原則。
(2) 結(jié)構(gòu)
MSWT2300 的結(jié)構(gòu)比較新穎,針對磁懸掛天平的特點,采用在國內(nèi)外比較罕見的帶大角度擴散段的離心下吹式形式,它可以省卻繁瑣的動力段設(shè)計,節(jié)約投資,并且可以避免模型被吹至實驗段下游打壞葉片或損傷模型,因此該結(jié)構(gòu)安全,更加適合與MSBS 匹配,模型的投放和操作也很方便,結(jié)構(gòu)總圖見圖1 所示。
(3) 低湍流度
2 流體力學(xué)實驗與測量
根據(jù)MSWT2300 的應(yīng)用要求,風(fēng)洞流場具有較低的湍流度,其指標為:ε≈0. 03 %～0. 08 % ,使MSWT2300 同時具有無支架干擾和低湍流度的雙重優(yōu)勢,不管對于基礎(chǔ)研究還是型號設(shè)計,都將具有極強的競爭優(yōu)勢。
圖1 　MSWT2300 氣動外形Fig. 1 　The aerodynamic conf iguration of MSWT2300
3 　穩(wěn)定段
3. 1 　概述
　　穩(wěn)定段設(shè)計是MSWT2300 能否達到低湍流度目標的一個關(guān)鍵部分。穩(wěn)定段設(shè)計包括截面、長度、湍流衰減裝置的結(jié)構(gòu)與布局(蜂窩器和阻尼網(wǎng)) 。作用在于為下游收縮段創(chuàng)造均勻來流的進口條件,如果進口氣流不均勻,則經(jīng)過收縮段后也是不均勻的。氣流在經(jīng)過擴散段后,氣流速度和方向都是不均勻的,湍流度也較高,甚至主流中還可能存在大尺度的旋渦。因此在收縮段前,必須經(jīng)過一穩(wěn)定段,在蜂窩器、阻尼網(wǎng)的作用下,使氣流變得比較均勻,從而保證實驗段流場的品質(zhì)。以下分別討論MSWT - 300 的蜂窩器和阻尼網(wǎng)的設(shè)計。
3. 2 　蜂窩器
MSWT2300 的蜂窩器蜂窩格子橫截面為六角形。綜合考慮蜂窩器內(nèi)氣流的流動性能、壓力損失、加工和安裝等,選擇蜂窩器的孔眼內(nèi)接圓直徑為6. 9mm ,長度為12 倍孔眼內(nèi)接圓直徑,即83mm ,在穩(wěn)定段的截面內(nèi)大約有19000 個蜂窩格子。試驗和計算表明, 該尺寸和長度的蜂窩器,可以最大限度的衰減湍流。
3. 3 　阻尼網(wǎng)
適當選配阻尼網(wǎng)可使穩(wěn)定段流動速度剖面更均勻,可進一步搗碎蜂窩器后面的旋渦,以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強度當網(wǎng)的開閉比β小于0. 5 時,由于氣流的合并可能出現(xiàn)氣流的不穩(wěn)定,通常穩(wěn)定段中阻尼網(wǎng)的β一般大于0. 5 。實際上,網(wǎng)孔類似于許多小尺度射流孔,當網(wǎng)孔的開閉比較小時,來自大量網(wǎng)孔射流的隨機凝聚所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性就會形成一種持久性縱向旋渦而流經(jīng)收縮段,而這種凝聚作用又會因同一張網(wǎng)上的β分布不均勻及網(wǎng)孔形狀不規(guī)則而增強。因而低湍流度風(fēng)洞多用0. 57 <β< 0. 6 的大開閉比網(wǎng),且必須使網(wǎng)孔均勻、規(guī)則、清潔,網(wǎng)面平整不扭曲。當網(wǎng)絲雷諾數(shù)達到一定程度,它自身還會引起小旋渦,所以對于同一開閉比的阻尼網(wǎng),在滿足強度要求情況下其網(wǎng)絲直徑越小的阻尼網(wǎng)效果越好,此時網(wǎng)絲的雷諾數(shù)比較小(不超過30～60) 。實驗表明,用幾層較小K 值的網(wǎng)組比一層大K 值網(wǎng)的效果要好,因此MSWT2300 采用的是幾層K 值較小的阻尼網(wǎng)組,網(wǎng)和網(wǎng)之間的距離大約是網(wǎng)絲直徑的500 倍。用計算公式:
εs = εd ∏n i = 1 1 + Ki) 0. 5 (1)
　　εd 是蜂窩器后的湍流度;εs 是網(wǎng)后的湍流度; Ki 表示第i 層網(wǎng)的壓降系數(shù)。計算表明,經(jīng)過7 層阻尼網(wǎng)后的氣流湍流度大約是0. 04 % ,達到預(yù)定的設(shè)計目標。
4 　大角度擴散段
在實驗段上游的穩(wěn)定段或噴管,可以有效地提高風(fēng)洞的氣流品質(zhì)。如果要求大收縮比,則要一大的擴散面積比。按照傳統(tǒng)的設(shè)計方案,可以計算出最優(yōu)的擴散角為5. 2°,以防止氣流分離,但這時擴散段必然很長,增加了風(fēng)洞建設(shè)的成本,例如收縮比等于12 ,擴散角α等于5°,擴散段的長度大約是入口直徑的20 倍。因此要考慮采用大角度擴散段, 一般稱α> 6°的擴散段為大角度擴散段[3 ,4 ] 。大角度擴散段的設(shè)置主要是為了鼓風(fēng)機出口與穩(wěn)定段進口相匹配,因為兩者截面尺寸相差較大,也是為了降低風(fēng)洞長度。擴散段的流動特性和效率一般與其收縮比、壁面擴散角、橫截面形狀和壁面曲線等有關(guān)。入口和出口的邊界層控制裝置也影響擴散段的性能。正確的設(shè)計要綜合考慮上述因素,協(xié)調(diào)好它們的相互關(guān)系。經(jīng)過分析和討論,大角度擴散段一般遵循以下設(shè)計規(guī)則:
①當擴散比小于5 和擴散角小于50°時使用網(wǎng)控制邊界層;
②如果壓力恢復(fù)不是主要的,則矩形截面已足夠;
③當2α> 10 ( c - 1) 使用曲壁;
④用曲面網(wǎng)防止分離;