[科普中国]-自适应壁风洞

背景

风洞是能人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备。风洞试验通常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型。这种实验方法具有流动条件容易控制，可基本上不受外界环境影响，测量方便、精确，可重复地、经济地取得实验数据等优点。它是飞行器研制发展过程中最为有效的地面试验设备和空气动力研究最为常用、最有效的实验方法。

然而，风洞设备本身存在的一些固有缺陷到目前尚未完全克服，其中之一就是长期以来一直影响风洞实验数据准确性的洞壁干扰问题。随着航空航天事业的不断发展，空气动力学研究和飞行器设计对风洞实验数据的准确度要求越来越高，这就要求寻找行之有效的方法消除风洞实验的洞壁干扰。解决洞壁干扰的方法有以下几种：

①增加风洞尺寸，从而可以增大试验模型的尺寸以提高试验的雷诺数。然而，随着试验段口径的增大，风洞在建设使用上的技术难度势必增加，工程投资、风洞运行管理等费用更是成倍增加。

②减小堵塞比。缩小模型从而减小其在风洞中的相对堵塞比，这虽然是减小洞壁干扰的一条有效途径，但是现代飞行器越来越大，外形日趋复杂，缩小模型将导致实验雷诺数过小从而不能完全满足试验的相似性要求。

③干扰修正计算技术。利用计算方法，对实验数据进行修正从而得到无干扰数据。低速时此问题解决得较好，跨音速和超音速时，由于流场特性较复杂，数学模型及数学方程不完善，此时模型试验的数据修正仍存在许多问题未能较好解决。

以上这些方法都是被动的消除洞壁干扰，难以满足不断发展的工程技术的要求。针对以上不足，人们在对洞壁干扰进行修正的同时，也对洞壁构型的优化进行研究，以期减少洞壁干扰的量级。自适应壁风洞的诞生，表明无约束流动的存在是有可能的，为彻底解决洞壁干扰问题开辟了一条新的努力方向。

原理及可行性七十年代初，Sears等人提出了自适应壁风洞的概念，并从理论上证明了风洞调节到无约束流动状态的可能性。

自适应风洞的原理，概括的讲就是通过主动控制洞壁状态(如洞壁形状)，使风洞内绕模型的流场成为其无约束流场的一部分，从而得到与自由飞行状态相同的模型气动载荷数据。由于自适应壁风洞能有效地消除或大大降低洞壁干扰的影响，因而能在较小口径的试验段里进行在相同口径的常规风洞中无法进行的大尺寸模型试验，而且能保证所得到的实验数据具有很高的准度。

自适应壁风洞不仅在结构上不同于常规风洞，它的试验过程也不同于常规风洞，它是一个迭代过程。具体实验过程为:对一定状态下的试验结果进行判定，检验是否存在洞壁干扰，若存在，则根据其干扰值计算洞壁变形量并调整壁面，再进行吹风试验并继续判断、调节，直到认为无干扰为止。自适应壁风洞试验迭代过程的收敛性已得到大量研究者的数值模拟论证及实验证明。

自适应壁风洞试验技术概念的提出和研究，为主动控制风洞试验段中洞壁干扰效应提供了手段，使洞壁干扰效应消除或减小到生产性风洞试验允许的残余值，并可估算其量值，以使飞行器设计人员采用风洞试验获得的气动力系数不会有大的风险。自适应壁风洞由于其所具备的优越性，使得它有着极其广泛的由于前景，对它的进一步研究也势在必行。自适应壁风洞实验技术研究是实验空气动力学研究中的一个重要方面。

研究和发展现状自适应壁风洞试验技术可追溯到20世纪30年代末，英国国家物理实验室(NPL)的科技人员最早用两个柔壁在高速闭口风洞中试验二元模型以减轻阻塞效应，并由G. Taylor设计了一个半经验的洞壁调整方案用于流线壁面形状的计算。由于当时没有较好的计算条件及存在调节控制等技术上的困难，Taylor方案未能得到很好发展。此项研究在NPL延续了10年，到50年代初，由于能跨过声速的通气壁试验段的出现，以及采用柔壁试验段的困难，致使柔壁试验段方案停顿了近20年。

到了60年代末，自动控制和计算机科学有了显著的发展，自适应壁风洞潜在的能力得以发挥，以满足现代实验空气动力学领域日益要求改善风洞试验数据质量的要求，尤其是要求保证吹风试验时风洞内的流动要准确模拟真实自由飞行状态的流动，这样就必需尽量减少跨声速风洞试验中的洞壁干扰，并达到可修正的程度。

70年代初，一些气动研究机构再次致力于自适应壁风洞试验技术的研究，包括试验设备和相应的试验计算程序设计，并进行验证试验来证明自适应壁风洞的基本原理在技术上是可行的。早期有代表性的是美国Calspan公司的通气壁自适应风洞和英国Southampton大学的柔壁自流线型风洞。由于自适应壁风洞的巨大应用价值，开展此项研究的国家和科研单位迅速增加，研究内容不断扩大和深入。到80年代，二元自适应壁风洞技术已可成功运用于跨音速和低速大阻塞比与高升力模型试验。三元自适应壁风洞技术成为研究重点，一批三元自适应壁风洞先后问世。具有代表性的由美国空军莱特航空实验室(AFWAL)柔性棒壁风洞，德国宇航院(DLR)橡胶管风洞，柏林工业大学八角形柔壁风洞及美国AEDC四壁分段变开闭比通气壁自适应风洞。

我国的自适应壁风洞研究始于80年代初，中国空气动力学研究与发展中心，西北工业大学，哈尔滨空气动力研究所等科研单位开展了自适应壁风洞的研究工作，并取得了一定的成绩。1983年，西北工业大学建成了一座低速二元柔壁自适应风洞，对柔壁自适应风洞设计准则，洞壁调整迭代方案和实验技术进行了研究。NACA001?翼型试验表明，洞壁自适应后取得了与无干扰数据一致的结果。1988年与德国宇航院合作，开始进行低速二元自适应壁风洞的三元模型实验技术研究，对原有柔壁试验段进行了加宽改造，用两种洞壁调整方案编制程序进行对比实验。翼身组合体和半模型实验表明。二元自适应壁风洞在低速实验时可以有效降低三元模型的洞壁干扰。

分类自适应壁风洞按绕模型流动状态的调节方式和可调节流动类型作如下分类：

1、按洞壁状态的调节方式:分为柔壁自适应风洞和通气壁自适应风洞。柔壁自适应风洞是主动调节洞壁的有效形状，使其与绕模型的无约束流场的流线重合。通气壁自适应风洞把驻室分割成一个个小的单元，对每个单元分别吹气或抽气，以控制流经洞壁的气流，使得绕模型的流动接近无约束流动。与常规风洞相比，它们的优点是都能提供模型近似自由流场的气动数据。柔壁自适应风洞还有以下特点：

①壁面静压作为控制壁面的流动测量参数，可以非常方便、精确地测量而又不会影响到风洞的内流场。测量参数转换到其他流动参数也易于实现且精度损失较小，流场边界条件易于快速、精确地调整，并且容易实现自动化。这些优点对工程实验研究是非常重要的。

②柔壁自适应风洞不使用庞大的驻室机构和抽气系统，从而一方面降低了能耗和设备造价，并为其他先进技术如磁悬浮天平和低温风洞技术的采用创造了条件:另一方面，其光滑的洞壁也能很好地降低壁面扰动、减小噪音，得到很好的流动品质。

③试验模型可进一步增大，以提高模拟精度和试验R。数，而通气壁风洞一般要在流场内部设置轴向测压管或静压探头、方向探头等，占用试验段空间并对主流动产生扰动，限制了模型的尺寸。

④柔壁自适应风洞的边界条件可控性好，可用来进行某些特殊目的的试验，如地面效应试验、翼栅流动试验等。

2、按可调节流动类型:分为二元自适应壁风洞和三元自适应壁风洞。二元自适应壁风洞仅有上下两个壁面可以调节，对于翼型试验，它可以模拟无干扰流动;对于三元模型试验，它由于无法消除侧壁干扰而只能近似产生无干扰流动。而三元自适应壁风洞能在四个壁面进行调节，从而可以更好地模拟三元无约束流场。还有一些风洞，每个壁面由多个窄的可调整壁条组成，以便能更精确地模拟三元流场。1