m高超聲速風(fēng)洞流場的數(shù)值模擬

m高超聲速風(fēng)洞流場的數(shù)值模擬

0結(jié)構(gòu)形式對單次散射流場的影響風(fēng)洞試驗段設(shè)計的重要目標(biāo)是確保有足夠的空間分布均勻的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)形式的選擇和設(shè)計也在一定程度上影響了風(fēng)洞場的質(zhì)量。試驗段形式主要有兩類:開口自由射流式和閉口式,其中閉口式試驗段在幾何構(gòu)型上又分為方形和圓截面兩種。開口自由射流式與閉口式試驗段的流場結(jié)構(gòu)均有各自的特點。開口自由射流式試驗段噴管與擴壓器之間沒有任何固壁封擋,氣流在噴管出口呈自由射流狀態(tài),射流流場中心呈三角形的區(qū)域為核心區(qū),其大小受試驗段環(huán)境壓力和噴管出口馬赫數(shù)或馬赫角的控制,射流核心區(qū)外為膨脹扇、攔截激波等一系列結(jié)構(gòu),與擴壓器之間相互作用,產(chǎn)生了很強的激波干擾。閉口圓截面試驗段為一段連接噴管與擴壓器之間的圓管,氣流在進入擴壓器前可以沒有任何膨脹波或激波的干擾,但面臨著壁面邊界層的影響和擾動的中心聚焦等問題。目前,超聲速風(fēng)洞多采用閉口式試驗段,高超聲速風(fēng)洞多采用開口自由射流式試驗段。但對于采用這兩種試驗段結(jié)構(gòu)形式,會對風(fēng)洞流場品質(zhì)產(chǎn)生怎樣的影響尚未見相關(guān)詳細(xì)的研究文獻。中國空氣動力研究與發(fā)展中心的Φ1m高超聲速風(fēng)洞是一座暫沖式開口自由射流常規(guī)高超聲速風(fēng)洞,配備有馬赫數(shù)3~8六套型面噴管。噴管出口直徑均為Φ1m,共用一個3m見方試驗段。當(dāng)風(fēng)洞運行在馬赫數(shù)3和4兩個狀態(tài)時,流場均勻區(qū)直徑大小沿風(fēng)洞軸線迅速減小,距噴管出口700mm截面處僅有Φ500mm左右,導(dǎo)致可試驗?zāi)Ｐ偷某叽巛^更高馬赫數(shù)運行情況下大為減小,使風(fēng)洞試驗?zāi)芰κ艿捷^大限制,無法滿足一些飛行器對試驗的需求。因此,需要研究有效的途徑來增大這兩個馬赫數(shù)狀態(tài)下的試驗段流場均勻區(qū)尺寸,同時保證流場品質(zhì),以提高風(fēng)洞的試驗?zāi)芰?。另?也探索一下這些途徑在高超聲速情況下是否適用。本文數(shù)值模擬了Φ1m高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)3和6狀態(tài)下的流場,計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致,驗證了所用數(shù)值方法的可信性。在此基礎(chǔ)上,對閉口等直圓截面和開口自由射流兩種試驗段結(jié)構(gòu)形式的超聲速/高超聲速風(fēng)洞在起動條件下的穩(wěn)態(tài)流場進行研究,對比了兩種試驗段結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)洞流場性能的影響。1各截面馬赫數(shù)均方根偏差計算分析利用計算流體力學(xué)軟件FASTRAN對Φ1m高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗段流場進行數(shù)值模擬:采用有限體積法求解軸對稱N-S方程,求解器選擇Roe格式,限制器采用OsherCharavarthy;時間格式采用全隱式雅可比迭代;湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。為了驗證所采用的數(shù)值模擬方法計算的有效性,以馬赫數(shù)3、6兩副噴管各自某一典型風(fēng)洞起動穩(wěn)定流場狀態(tài)作為計算點,獲得了試驗段內(nèi)流場的速度場性能指標(biāo)和均勻區(qū)(本文表示噴管出口附近流場速度場參數(shù),如馬赫數(shù)均方根偏差、最大馬赫數(shù)偏差等滿足相關(guān)風(fēng)洞規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求)尺寸,并將計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果如表1所示。從表1可以看出兩副噴管軸向各截面的流場均勻區(qū)內(nèi)的速度場性能指標(biāo)計算結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近。對于馬赫數(shù)3噴管,計算與試驗結(jié)果的軸向各截面馬赫數(shù)均方根偏差基本都保持在10-3量級;對于軸向各截面平均馬赫數(shù),計算結(jié)果與試驗結(jié)果只差1%左右,軸向馬赫數(shù)梯度相差約6.55%。對于馬赫數(shù)6噴管,計算與試驗結(jié)果的軸向各截面馬赫數(shù)均方根偏差基本都保持在10-2量級;軸向各截面平均馬赫數(shù)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的差異基本在0.5%之內(nèi),軸向馬赫數(shù)梯度相差約16%。對于均勻區(qū)尺寸,馬赫數(shù)3噴管流場校測結(jié)果在-300mm、-150mm和0mm3個截面保持在Φ800mm,計算結(jié)果為Φ900mm以上,但需要注意的是,試驗所使用的皮托耙最大測量范圍為Φ800mm,沒有更大區(qū)域數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確對比。700mm及900mm兩個截面計算結(jié)果較試驗結(jié)果小很多,主要是由于計算時中心軸線附近的網(wǎng)格間距較大引起的。馬赫數(shù)6噴管流場校測結(jié)果在-300mm、-150mm、0mm和300mm4個截面保持在Φ800mm,直到1000mm截面還保持在Φ500mm以上,也表明馬赫數(shù)越高射流核心區(qū)的尺寸越大。上述分析表明,計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比存在一定的差異,但是兩者均符合風(fēng)洞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求,這種差異不會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。此外,計算采用的完全是一種理想的狀態(tài),而事實上噴管型面的加工存在誤差、高馬赫數(shù)時噴管壁面存在傳熱以及風(fēng)洞的總溫和總壓調(diào)節(jié)存在偏差等等,這些因素均會造成計算與試驗結(jié)果的差異。因此,本文利用FASTRAN軟件,用于模擬高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗段區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)流場方法可行,可以用于試驗段流場的對比研究。2網(wǎng)格、邊界條件開口自由射流試驗段計算模型取風(fēng)洞真實幾何構(gòu)型。計算的是風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)流場,為簡化計算的難度,擴壓器僅取位于試驗段內(nèi)一段,不會對計算結(jié)果造成太大影響。閉口試驗段計算模型為噴管出口直接接一段等直徑圓筒,整個長度與開口試驗段計算模型的長度一致。計算采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(如圖1,馬赫數(shù)6噴管),在壁面附近進行了加密處理。開口自由射流試驗段采用分區(qū)網(wǎng)格:馬赫數(shù)3、6噴管網(wǎng)格點分別為67760個和51830個;閉口等直圓截面試驗段采用單區(qū)網(wǎng)格:馬赫數(shù)3、6噴管網(wǎng)格點分別為39680個和26341個。計算的邊界條件:噴管入口為固定壓力、溫度入口條件;擴壓器出口或圓截面試驗段出口采用原始變量外插,壁面為無滑移、等溫壁(TW=300K)條件。計算滯止條件:馬赫數(shù)3噴管p0=1.5×105Pa,T0=288.0K;馬赫數(shù)6噴管p0=20.0×105Pa,T0=560.0K。3計算結(jié)果和分析3.1流場均勻區(qū)范圍兩種試驗段流場性能指標(biāo)計算結(jié)果如表2所示。可以看出,兩種試驗段流場均勻區(qū)內(nèi)的速度場性能指標(biāo)(馬赫數(shù)均方根偏差σM、最大馬赫數(shù)偏差ΔMamax)均優(yōu)于高速風(fēng)洞流場性能合格指標(biāo)。兩種試驗段的各截面平均馬赫數(shù)沿風(fēng)洞軸線趨勢相反,開口試驗段呈略為增大趨勢,而閉口試驗段呈略為減小趨勢,二者的軸向馬赫數(shù)梯度也印證其趨勢的變化,這個現(xiàn)象真實地反映了射流流場和等截面管流流場各自的流場特性。閉口試驗段的均勻區(qū)尺寸較開口試驗段顯著增大,直到900mm截面還達到了Φ882mm,均勻區(qū)面積增加了約31.57%。兩種試驗段結(jié)構(gòu)形式各自流場的馬赫數(shù)等值線云圖計算結(jié)果如圖2所示。開口自由射流試驗段(圖2a)噴管出口處的三角形核心區(qū)流場相對均勻,其后為膨脹扇區(qū),射流流場外部的弓形激波與擴壓器入口處壁面相交,發(fā)生了溢流和反射,形成了較強的反射激波會聚于風(fēng)洞軸線;閉口試驗段(圖2b)流場結(jié)構(gòu)簡單,壁面邊界層沿風(fēng)洞軸線方向不斷增厚,在噴管出口后產(chǎn)生了微弱的壓縮,并在風(fēng)洞軸線會聚,使得在300mm截面以后閉口試驗段的馬赫數(shù)均方根偏差較開口試驗段下降了一個量級。兩種試驗段軸向不同截面馬赫數(shù)沿徑向分布曲線計算結(jié)果如圖3所示。在-300mm~0mm截面,二者均勻區(qū)內(nèi)的馬赫數(shù)分布基本一致,表2中的均勻區(qū)平均馬赫數(shù)珨M分布也說明了這一點;在300mm截面以后,開口自由射流試驗段流場均勻區(qū)迅速減小,并且兩側(cè)處的馬赫數(shù)增大,主要是由于這些點位于射流的膨脹扇區(qū),印證了圖2a中的等馬赫數(shù)云圖結(jié)果。兩種試驗段均勻區(qū)范圍計算結(jié)果如圖4所示。開口自由射流試驗段流場均勻區(qū)直徑在0mm截面(表示噴管出口截面)以后迅速減小;而閉口等直圓截面試驗段流場均勻區(qū)直徑僅有很小的縮減,這主要是由于邊界層沿軸向的增厚引起的。以上計算結(jié)果表明:在馬赫數(shù)3條件下,采用閉口等直圓截面試驗段對于有效增大流場均勻區(qū)尺寸效果明顯,達到Φ882.0mm以上,均勻區(qū)的速度場性能指標(biāo)達到并優(yōu)于高速風(fēng)洞流場性能合格指標(biāo),但壁面邊界層會沿著風(fēng)洞軸線不斷增厚,對流場的品質(zhì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,在風(fēng)洞設(shè)計過程中可以通過壁面的擴張予以修正。綜合考慮以上兩方面結(jié)果,單就便捷而有效地擴大試驗段流場均勻區(qū)范圍方面,采用閉口試驗段對于提升風(fēng)洞的試驗?zāi)芰哂休^大意義。例如,一個半錐角10°、長1000mm、底部直徑Φ150mm的錐柱模型,在迎角10°、馬赫數(shù)3條件下,采用開口自由射流試驗段,可試驗的模型長度約為760mm左右(模型頭部伸入噴管內(nèi)300mm,不考慮噴管壁面邊界層厚度影響);采用閉口試驗段,可試驗的模型長度約為1000mm左右。但是也應(yīng)當(dāng)注意到,在采用閉口試驗段時,在低馬赫數(shù)時模型頭部激波角較大,經(jīng)固壁邊界層反射后打在模型上的問題比高馬赫數(shù)條件下嚴(yán)重。同樣以上述錐柱模型、狀態(tài)為例,馬赫數(shù)3條件下迎風(fēng)面頭部激波角約29.61°,反射波角約34.05°;馬赫數(shù)6條件下迎風(fēng)面頭部激波角約24.07°,反射波角約26.97°。若為鈍頭體模型,這種問題將更加突出。此外,模型的堵塞度、紋影窗口的擾動等問題也不容忽視。以上這些問題在設(shè)計時必須予以綜合考慮。因此,超聲速條件下,閉口試驗段能夠使流場均勻區(qū)范圍顯著擴大,是一種可優(yōu)先考慮的試驗段結(jié)構(gòu)形式。3.2流場均方根偏差變化兩種試驗段流場性能指標(biāo)計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?兩種試驗段流場均勻區(qū)內(nèi)的速度場性能指標(biāo)(馬赫數(shù)均方根偏差σM、最大馬赫數(shù)偏差|ΔMa|max)均優(yōu)于高超聲速風(fēng)洞流場性能先進指標(biāo)(GJB4399-2002)。兩者各截面平均馬赫數(shù)沿風(fēng)洞軸線均呈略為減小的趨勢,閉口試驗段軸向馬赫數(shù)梯度絕對值大一些,表明減小趨勢較快。閉口試驗段各截面均勻區(qū)直徑均保持在Φ820mm以上,而開口試驗段均勻區(qū)直徑在700mm截面以后出現(xiàn)了明顯的減小,至1000mm截面均勻區(qū)為Φ528mm,減小的速率較馬赫數(shù)3噴管平緩很多。兩種試驗段流場馬赫數(shù)等值線云圖計算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?馬赫數(shù)6噴管的開口自由射流試驗段(圖5a)流場結(jié)構(gòu)與馬赫數(shù)3噴管(圖2a)流場結(jié)構(gòu)類似,但射流流場外部的弓形激波與擴壓器入口處壁面形成的反射激波與風(fēng)洞軸線的夾角明顯減小,并且溢流也有所減少,使得噴管出口處的三角形核心區(qū)流場長度顯著增長,接近了計算域的出口;閉口試驗段(圖5b)的流場隨著壁面邊界層的增厚在直管段也出現(xiàn)了微弱的壓縮波,并在風(fēng)洞軸線會聚,但反映在截面馬赫數(shù)均方根偏差上反而較開口試驗段有所提高,分析其原因應(yīng)是該處的馬赫數(shù)較高,邊界層增厚帶來的擾動沿馬赫角傳播比較靠后。兩種試驗段不同截面馬赫數(shù)沿徑向分布曲線計算結(jié)果如圖6所示,各截面馬赫數(shù)徑向分布與圖3相似,但反映出馬赫數(shù)6噴管流場的壁面邊界層厚度與馬赫數(shù)3噴管相比明顯增厚(馬赫數(shù)6噴管長出720mm)。兩種試驗段均勻區(qū)范圍計算結(jié)果如圖7所示。開口自由射流試驗段流場均勻區(qū)直徑在300mm截面處略為增大,然后不斷減小,與閉口試驗段流場均勻區(qū)面積相比減小了約8.24%,從實際應(yīng)用的經(jīng)驗來看,這點減小不會對試驗?zāi)Ｐ偷某叽缭斐捎绊?。以上計算結(jié)果表明:在高超聲速條件下,閉口等直圓截面試驗段流場均勻區(qū)的速度場性能指標(biāo)較開口自由射流試驗段略為提高;均勻區(qū)大小有所增加,但比較有限。從實際應(yīng)用考慮,采用開口自由射流試驗段的結(jié)構(gòu)形式可以避免模型頭部激波經(jīng)固壁邊界層反射后打在模型上、減緩高溫引起的紋影窗口變形等方面的影響,還具有無需超壓起動、模型安裝方便等特點,可適當(dāng)予以考慮。4高超聲速基于測試結(jié)果的流場模擬對Φ1m高超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)3、6兩副噴管,利用FASTRAN軟件研究了開口自由射流和閉口等直圓截面兩種試驗段結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)流場,并進行對比分析,結(jié)果表明:(1)采用FASTRAN軟件的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對高超聲速風(fēng)洞噴管及試驗段區(qū)域內(nèi)的