[科普中国]-自修正风洞

简介

1973年Sears及Ferri等提出了一种“自修正风洞”新概念,这是一种虽有洞壁,但基本上能消除洞壁干扰,得到接近于无约束流动数据的风洞。自修正风洞的原理为主动控制洞壁状态,以试验段壁面附近控制面上的气流参数测量值与计算值的(按外部无约束条件下得出)差值为依据,用迭代方式调整壁面边界条件,使试验段内模型附近的流场最终与其在自由大气中飞行的流场完全一致。

原理自修正风洞的原理是:主动控制调节洞壁状态,对柔壁自修正风洞即主动控制调节洞壁(指扣除洞壁边界层影响后的有效气动壁面,下同)形状,使其成为绕模型的无约束琉场中的一条流线,则风洞内绕模型的流场就成为绕模型的无约束流场的一部分,从而取得无洞壁干扰的试验结果。若假定洞壁外有一以该有效壁面为边界,远场未扰动速度等于风洞内远上游未扰动速度的假想流场,当无洞壁干扰时,该假想的外部流场与风洞内的真实流场可组成绕模型的无约束流场,因而沿洞壁内外场的流动参数应相匹配。若有洞壁干扰,则沿洞壁内外场的流动参数失配。故沿洞壁内外场的流动参数是否匹配,可被用来判别是否存在洞壁干扰。内场参数可在试验中沿洞壁实际测量。外场参数可根据洞壁形状,由势流理论求得。若判断存在洞壁干扰,则应调节洞壁形状,然后再行吹风判断,直至判断认为无洞壁干扰为止。所以,自修正风洞的吹风过程是一个迭代过程1。

背景风洞试验中产生的洞壁干扰是影响试验数据准确性的重要因素,理论与试验研究都指出,非自适应壁的各种风洞结构,均无法彻底消除洞壁干扰。洞壁效应的理论修正目前尚限于线化小扰动范围,不能给出正确的修正量。以往解决的办法是尽量加大风洞口径,相对缩小模型尺度来减小洞壁干扰效应;导致风洞建设投资急剧上升,运行费用相应增加,提高了飞行器的研制成本。能否寻求其它途径,是气动工作者长期致力研究的一个重要课题2。

试验过程试验过程中无需计算模型附近的复杂流动,仅需根据位流理论计算分界面外侧假想流场沿分界面(弯曲较小的有效壁而形状)上的流动参数,并将其与吹风测量的壁面流动参牧相比较,如两者之差超过某给定的容许误差,就需按此差值,选择合适的松弛因子,计算出新的壁面形状,并加以调节,如此迭代数次,直至收敛(即上述差值小于给定容许误差),收敛后所测模型上的数值为无干扰试验数据。