低湍流度磁悬浮风洞的气动和结构设计

摘要:对磁悬浮风洞的历史、现状作了简要回顾和介绍,提出了建造300mm ×300mm
磁悬浮低速风洞(简称：MSWT2300) 的设计思想,给出了MSWT2300 主要部件,包括离心式鼓风机、过渡段、大角度扩散段、稳定段、收缩段、实验段。MSWT2300 的建立将结束我国没有磁悬浮风洞的历史。
　引　　言
传统的风洞试验方法,总存在机械支架的干扰,其不利影响主要有[1 ] :
(1) 造成了绕模型流场的畸变;
(2) 影响试验飞行器几何外形模拟的准确性;
(3) 限制了飞行器模型平动和转动的范围;对于动态试验,极大地限制了振幅和频率,从而限制了风洞试验能力;
(4) 随着飞行器向高超声速、大攻角复杂流场等方向发展,对风洞试验及其数据精度要求越来越高,复杂流场受支架干扰的影响也越来越严重。
尽管人们研究了各型机械支架,并且提出各种修正公式,甚至通过测试支架本身的气动参数对风洞实验结果进行必要修正,但实际效果仍然有限,这样迫使科学工作者去探讨没有机械支架的天平。
1 　国内外研究现状
1937 年,美国Virginia 大学的F T Holms 教授提出风洞试验使用磁悬挂天平(简称MSBS) 的概念。1957 年,法国航空研究院(ONERA) 的研究人员Tournier 和Laurenceau 共同发表了第1 篇介绍磁悬挂天平技术在风洞试验中应用的论文“风洞模型的磁悬挂”, 在此文中对磁悬挂天平给出了较完整的解释。几十年来,世界上一些著名的研究机构和高等学府,象麻省理工大学(MIT) ,普林斯顿大学( Priceton Univ) ,牛津大学(Oxford U2 niv) ,莫斯科航空学院(MAI) ,日本国家空间实验室(NAL) ,NASA Langley 研究中心等, 相继开展了磁悬浮风洞(简称MSWT) 的研究。以后的发展过程中,50～60 年代形成对MSWT 技术研究的第一个高峰。70 年代该项研究因技术原因陷入低谷,到80～90 年代,MSWT 技术再度兴旺,据不完全统计,几十年来,世界各国建造了不少于20 座磁悬浮风洞[2 ] 。
我国对MSBS 技术的研制起步较晚,至目前为止,并无任何真正意义上的MSWT。我国对该项技术十分重视, “八五”, “九五”期间都对MSBS 给予了支持。1987 年,我校自动控制系研制了一台30mm ×30mm 的MSBS ,1994 年研制了一台150mm ×150mm 的MSBS ,但均未用于风洞实验。本课题在1998 年广泛调研的基础上,研制了一座300mm ×300mm 的低湍流度磁悬浮风洞(简称MSWT - 300) ,以填补国内在这方面的空白。
2 　MSWT2300 的特色
根据MSWT2300 的基本设计目标和用途,它将具有以下明显特色。
(1) 磁悬挂天平技术
采用磁悬挂天平技术,消除模型机械支架对风洞试验的干扰。充分利用现有技术和实验室条件,对磁悬浮风洞模型实验技术进行研究,达到当前国内外比较先进的水平,是MSWT2300 研制的基本思想和原则。
(2) 结构
MSWT2300 的结构比较新颖,针对磁悬挂天平的特点,采用在国内外比较罕见的带大角度扩散段的离心下吹式形式,它可以省却繁琐的动力段设计,节约投资,并且可以避免模型被吹至实验段下游打坏叶片或损伤模型,因此该结构安全,更加适合与MSBS 匹配,模型的投放和操作也很方便,结构总图见图1 所示。
(3) 低湍流度
2 流体力学实验与测量
根据MSWT2300 的应用要求,风洞流场具有较低的湍流度,其指标为:ε≈0. 03 %～0. 08 % ,使MSWT2300 同时具有无支架干扰和低湍流度的双重优势,不管对于基础研究还是型号设计,都将具有极强的竞争优势。
图1 　MSWT2300 气动外形Fig. 1 　The aerodynamic conf iguration of MSWT2300
3 　稳定段
3. 1 　概述
　　稳定段设计是MSWT2300 能否达到低湍流度目标的一个关键部分。稳定段设计包括截面、长度、湍流衰减装置的结构与布局(蜂窝器和阻尼网) 。作用在于为下游收缩段创造均匀来流的进口条件,如果进口气流不均匀,则经过收缩段后也是不均匀的。气流在经过扩散段后,气流速度和方向都是不均匀的,湍流度也较高,甚至主流中还可能存在大尺度的旋涡。因此在收缩段前,必须经过一稳定段,在蜂窝器、阻尼网的作用下,使气流变得比较均匀,从而保证实验段流场的品质。以下分别讨论MSWT - 300 的蜂窝器和阻尼网的设计。
3. 2 　蜂窝器
MSWT2300 的蜂窝器蜂窝格子横截面为六角形。综合考虑蜂窝器内气流的流动性能、压力损失、加工和安装等,选择蜂窝器的孔眼内接圆直径为6. 9mm ,长度为12 倍孔眼内接圆直径,即83mm ,在稳定段的截面内大约有19000 个蜂窝格子。试验和计算表明, 该尺寸和长度的蜂窝器,可以最大限度的衰减湍流。
3. 3 　阻尼网
适当选配阻尼网可使稳定段流动速度剖面更均匀,可进一步捣碎蜂窝器后面的旋涡,以减小稳定段气流的湍流强度当网的开闭比β小于0. 5 时,由于气流的合并可能出现气流的不稳定,通常稳定段中阻尼网的β一般大于0. 5 。实际上,网孔类似于许多小尺度射流孔,当网孔的开闭比较小时,来自大量网孔射流的随机凝聚所产生的不稳定性就会形成一种持久性纵向旋涡而流经收缩段,而这种凝聚作用又会因同一张网上的β分布不均匀及网孔形状不规则而增强。因而低湍流度风洞多用0. 57 <β< 0. 6 的大开闭比网,且必须使网孔均匀、规则、清洁,网面平整不扭曲。当网丝雷诺数达到一定程度,它自身还会引起小旋涡,所以对于同一开闭比的阻尼网,在满足强度要求情况下其网丝直径越小的阻尼网效果越好,此时网丝的雷诺数比较小(不超过30～60) 。实验表明,用几层较小K 值的网组比一层大K 值网的效果要好,因此MSWT2300 采用的是几层K 值较小的阻尼网组,网和网之间的距离大约是网丝直径的500 倍。用计算公式:
εs = εd ∏n i = 1 1 + Ki) 0. 5 (1)
　　εd 是蜂窝器后的湍流度;εs 是网后的湍流度; Ki 表示第i 层网的压降系数。计算表明,经过7 层阻尼网后的气流湍流度大约是0. 04 % ,达到预定的设计目标。
4 　大角度扩散段
在实验段上游的稳定段或喷管,可以有效地提高风洞的气流品质。如果要求大收缩比,则要一大的扩散面积比。按照传统的设计方案,可以计算出最优的扩散角为5. 2°,以防止气流分离,但这时扩散段必然很长,增加了风洞建设的成本,例如收缩比等于12 ,扩散角α等于5°,扩散段的长度大约是入口直径的20 倍。因此要考虑采用大角度扩散段, 一般称α> 6°的扩散段为大角度扩散段[3 ,4 ] 。大角度扩散段的设置主要是为了鼓风机出口与稳定段进口相匹配,因为两者截面尺寸相差较大,也是为了降低风洞长度。扩散段的流动特性和效率一般与其收缩比、壁面扩散角、横截面形状和壁面曲线等有关。入口和出口的边界层控制装置也影响扩散段的性能。正确的设计要综合考虑上述因素,协调好它们的相互关系。经过分析和讨论,大角度扩散段一般遵循以下设计规则:
①当扩散比小于5 和扩散角小于50°时使用网控制边界层;
②如果压力恢复不是主要的,则矩形截面已足够;
③当2α> 10 ( c - 1) 使用曲壁;
④用曲面网防止分离;