《基于五孔探针的大s弯进气道旋流畸变评估》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于五孔探针的大s弯进气道旋流畸变评估（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于五孔探针的大 S 弯进气道旋流畸变评估 徐诸霖 达兴亚 范召林 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 摘 要： 背负式 S 弯进气道拥有较好的前向雷达隐身性能, 同时有利于起落架布置、武器内埋, 但其出口流场的非均匀性会严重影响发动机的稳定性。除了总压畸变、总温畸变的影响之外, 旋流畸变也是流场非均匀性的一种重要体现。为研究背负式大 S 弯进气道的旋流畸变特性, 采用美国汽车工程师协会 (SAE) 的旋流评估方法, 利用基于五孔探针的旋转式测量段对进气道出口的强旋流场进行测量分析, 入口马赫数的范围为 0.20.6。所有马赫数下旋流方向 (Swirl Directivity, SD
2、) 和旋流对数 (Swirl Pairs, SP) 变化不大, 均显示出口旋流为对旋模式, 与理论分析和数值计算结果吻合。同时, 测量的对旋涡呈现出弱非对称性, 最大旋流角超过 40, 旋流强度 (Swirl Intensity, SI) 从内环的 6增加到外环的 13左右, 且在马赫数小于 0.5 的范围内没有明显变化。本文研究表明, 虽然 SAE 的旋流畸变计算方法中部分指标可以有效识别出大 S弯进气道的旋流模式, 但是旋流强度指标却明显不能表现出对旋涡的强旋状态, 制约了其在该类进气道/发动机相容性评估中的应用。关键词： S 弯进气道; 五孔探针; 旋涡; 分离流动; 旋流畸变; 作者简
3、介：达兴亚.E-mail:收稿日期：2017-04-21基金：国家自然科学基金 (11602291) Assessment of swirl distortion of serpentine inlet based on five-hole probeXU Zhulin DA Xingya FAN Zhaolin High Speed Aerodynamics Insititute, China Aerodynamics Research and Development Center; Abstract： The dorsal S-shaped inlet possesses an excel
4、lent ability of forward radar stealth and benefits the disposal of landing gears and the missile, but the non-uniform flow field in the outlet influences the stability of the engine seriously.Besides total pressure distortion and total temperature distortion, swirl distortion is also one important e
5、mbodiment of non-uniformity.To research the characteristics of swirl distortion, this paper uses the assessment methodology of Society of Automotive Engineers (SAE) and a rotational five-hole-probe-based measurement to assess the highly swirling flow field of the dorsal serpentine inlet at Mach numb
6、ers between 0.2 and 0.6.The results indicate that the change of the Swirl Directivity (SD) and Swirl Pairs (SP) is not apparent during the appointed mach range, and there is a paired swirl in weak symmetry in the outlet.The maximum swirl angle is more than 40.Swirl Intensity (SI) increases from 6in
7、the internal ring to 13in the external ring, without apparent change at Mach numbers below 0.5.Although the assessment of SAE has identified the mode of swirl, its swirl intensity descriptor does not manifest the state of high swirling, impeding the application of SAEs assessment methodology to asse
8、ssment of consistency between inlets and engines.Keyword： S-shaped inlet; five-hole probe; vortex; separated flow; swirl distortion; Received： 2017-04-21随着 S 弯进气道的普及应用, 与旋流相关的进气道/发动机相容性问题越来越突出, 比如使用大 S 弯进气道的无人机1-2、具有边界层吸入式进气道的 N+3 代客机3。影响发动机稳定的因素除了旋流强度之外还有旋流方向:与发动机转动方向相反的旋流会引起发动机失速、喘振4, 严重时甚至导致发动机空中
9、停车5;正向旋流将影响发动机的推力效率, 使耗油率上升6。长期处于对涡旋流中的发动机极易出现高循环疲劳失效7。旋流是一种典型的横向分离流动, 其产生与进气道内部的二次流动和分离涡密切相关, 而这两者是由于气流通过弯道时的离心压力梯度所导致的8, 而大 S弯进气道具有更大的弯度, 其离心压力梯度会更大, 因此其出口旋流强度会显著增大。美国汽车工程师协会 (Society of Automotive Engineers, SAE) 总结了旋流的类型、产生及其影响和旋流评估等问题, 发布了旋流评估指南Aerospace Information Report 5686 (AIR 5686) 8。Hon
10、eywell 发动机公司的 Sheoran 等9发现整体涡对压气机的影响大于对涡和局部涡, 但是对涡对压气机流量、效率、总压比也有削弱, 当其存在时, 发动机稳定工作范围降到只有原来的 2/310。国内对 S 弯进气道也有一定程度的研究。张晓飞等11发现水平飞行状态下的S 弯进气道也存在对涡旋流, 且结构不随攻角变化;侧滑状态下, 对涡旋流逐渐演变为整体涡且旋流强度较大, 极易引发发动机喘振或者熄火。谢文忠和郭荣伟12研究了位于腹下且无隔道的跨声速大偏距 S 弯进气道, 发现进气道第二拐点处的对涡导致了进气道出口截面总压畸变区域偏大, 飞行攻角和侧滑角对进气道总压恢复系数的影响不大。叶飞等13
11、设计了一种可调叶片式旋流发生器, 模拟了偏置对涡旋流, 发现随着旋流向下游发展, 在旋流诱导速度的作用下, 2 个旋流中心会按照较强旋流的方向产生偏转。目前, 对畸变的控制技术主要有主动与被动 2 种。主动控制技术以射流控制为主, 例如刘雷等14对进气道附面层进行小角度吹气模拟, 发现在流动分离处前方第一个拐点吹气对旋流畸变强度有一定程度的减弱;被动控制技术以扰流片控制为主, 例如李大伟和马东立15通过在进气道安装小型导流叶片降低了 S 弯进气道的总压畸变指数, 且对总压恢复系数影响极小。总的来说, 旋流对发动机的影响问题已经得到国内外的广泛重视。但是, 旋流对下游发动机的影响却一直是理论研究
12、与试验研究的难题, 一方面是由于旋流测量和模拟的难度, 另一方面则是发动机对进气道旋流场的影响要远大于总压畸变, 也即发动机可能会改变旋流特性。因此, 开展单独进气道的旋流畸变研究, 是进气道/发动机相容性评估、发动机与旋流之间的相互作用分析的重要基础。本文针对某背负式大 S 弯进气道, 首先通过计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 方法对大 S 弯进气道旋流场进行模拟分析, 再采用基于五孔探针的测量段和 SAE 旋流畸变评估方法, 对进气道出口截面的旋流进行了测量与评定。通过对比试验与计算 2 种结果来分析旋流模式、强度与来流之间的关系, 加
13、深对进气道出口流场旋流畸变的认识, 进而为旋流畸变对背负式大S 弯进气道/发动机相容性影响的评估奠定基础。1 旋流测量方法1.1 大 S 弯进气道模型和试验方法研究的大 S 弯进气道如图 1 所示。该进气道长径比为 2.5, 具有双 S 弯流道, 入口为半椭圆。为了实现视线遮挡, 该进气道弯度较大。本文采用直连试验, 不模拟飞机外流, 只模拟进气道扩散段 (图 1 中深色部分) 的流动。试验在中国空气动力研究与发展中心的大 S 弯进气道试验台上完成, 模型长为 625 mm, 出口直径为 250 mm。进气道的详细参数和试验方案可参见文献16。图 1 进气道在飞翼模型中的安装位置 Fig.1
14、Installation position of inlet in flying-wing model 下载原图1.2 大 S 弯进气道测量段面临的问题传统进气道试验使用固定的总压测量耙测量出口截面的总压分布, 一般在周向分布 6 耙、8 耙或者 12 耙, 每个耙上安装 5 个皮托管式总压探针, 耙间相对位置比较固定, 所以测得的数据表现出来的规律不具有较强的连续性, 因此, 常常需要增加测试工作量来提高数据的连续性17。这种方法适用于流向角不大的情况, 当流向角增大后, 可以使用 Kiel 探针或者五孔探针, 其中 Kiel 探针不能测量流向角, 只能测量总压。由于进气道出口流场沿周向变化
15、剧烈, 当测量耙间隔过大时有可能不能分辨出真实的畸变图谱, 进而影响畸变的评估结果。因此, 本文采用基于五孔探针的旋转测量段。1.3 五孔探针测量段结构设计五孔探针测量段如图 2 所示。探针由测量段的外壁面嵌入进气道出口流场中, 受探针制造、校准等诸多因素的影响, 在周向仅安装了 3 个 L 型五孔探针, 彼此间隔为 120。探针尾部与轴向步进电机连接, 由电机自动控制其径向移动。在轴向电机上集成了相对编码器, 配合专用的电机驱动器, 使步长达到了0.007 9mm。测量段的周向转动采用的是手动方式, 探针会随着测量段一起转动, 从而实现任意周向站位的测量。图 2 五孔探针测量段示意图 Fig
16、.2 Schematic of five-hole probe measurement section 下载原图1.4 测量位置根据美国 SAE 的总压测量规范, 在径向等面积中心布置 5 个测量点, 周向测量角度间隔 10, 总共测点数为 180 个, 如图 3 所示。在图 3 中, 从外向内依次标识为环 1环 5, 底部位置的周向角 () 标识为 0, 并沿顺时针方向递增。由于探针为 120等间隔分布, 因而只需要 13 个周向测量角度便可以测得整个扇面的数据。图 3 测量点位置 Fig.3 Positions of measurement points 下载原图1.5 五孔探针参数及数据处理方法所使用的 3 个 L 型五孔探针为美国 Aeroprobe 公司的产品。如图 4 所示, 探针头部为圆锥形, 轴的长度为 152.4mm、直径为 4.8mm, 头部长 25.4mm、直径为3.18mm, 尾部的
