第15卷　第3期2001年09月流　体　力　学　实　验　与　测　量ExperimentsandMeasurementsinFluidMechanicsVol.15No.3Sep.,2001

收稿日期:2001-04-27作者简介:董谊信(1939-),男,福建福州市人,中国空气动力研究与发展中心研究员.

文章编号:1007-3124(2001)03-0054-08CARDC2.4m引射式跨声速风洞设计与运行调试

董谊信,陈章云,周　平,罗宇轩,王维新(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000)

摘要:中国空气动力研究与发展中心研制了可更换喷嘴的中压气体引射器,利用现有中压气源驱动,建成一座增压回流引射式跨声速风洞。试验段截面尺寸2.4m×2.4m,M=0.3～1.2。稳定段最高工作压力为0.45MPa,最高模型试验雷诺数Rec=

15×106(M=0.90,C=0.24m),稳定吹风时间≥15s。风洞气动回路上分别配置有多

喷管引射器、栅指扩散段、跨声速试验段驻室抽气系统及特殊的主排气系统等装置。采用智能自适应解耦控制技术,实现总压和M数独立、快速、精确地控制。该气动布局与部段配置及其功能设计,在国内跨声速风洞中均是首次采用。关　键　词:引射式跨声速风洞;风洞设计与研究;测控系统;风洞调试;增压试验中图分类号:V211.74+1 文献标识码:A

CARDC2.4minjectorpoweredtransonicwindtunneldesignandoperation

DONGYi-xin,CHENZhang-yun,ZHOUPing,LUOYu-xuan,WANGWei-xin(ChinaAerodynamicsResearch&DevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

Abstract:ThispaperprovidesatechnicaloverviewofCARDC2.4m×2.4minjectorpow-eredtransonicwindtunnel.2.4mwindtunnelissuccessfulinoperationdebuggingtestsindecember,1998.ItcanoperateoveraMachnumberrangeof0.3～1.2,themaximumpres-sureofflowis0.45MPa,themaximumRecavailableis15×106(M=0.9,c=0.24m).

ThesimulatingcapabilityofmodeltestingReynoldsnumberisadvancedandsuperiorthantheforeignconventionalpressurizedtransonicwindtunnel.Theoverallperformanceandtechnologiesareinleadingplaceindomesticandcanbecomparedtoforeignadvancedwindtunnel.Thesuccessfuldevelopmentof2.4mwindtunnelfillsinthegapsintheareaoflarge-sizetransonicwindtunnelsandrelativetechnologies.Thehistoryoflackingworld-classtran-sonicwindtunnelinChinacomestoanend.Keywords:injectorpoweredtransonicwindtunnel;windtunneldesignandresearch;mea-surementandcontrolsystem;tunneldebug;pressurizedtest

0　引　言早在60年代,根据钱学森、郭永怀两位科学家的构想,国家风洞建设规划项目中就列有一座2.4m连续式跨声速风洞。中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所于1988年9月开始了更改2.4m风洞建设方案的技术论证工作。充分借鉴国外引射式风洞技术新发展,结合国情,本着立足国内技术力量、不降低主要技术性能指标、充分利用现有试验基地丰富的气源条件、大幅度节省建设资金以及缩短建设周期等原则,提出了2.4m引射式跨声速风洞建设方案。该风洞于1998年12月起投入使用。

1　风洞设备简介

1.1　风洞设备组成 图1为风洞气动轮廓图。风洞主洞体由消声段、稳定段、喷管段、驻室抽气试验段、

图1　2.4m×2.4m引射式跨声速风洞气动轮廓图Fig.1　AerodynamiclinesofCARDC2.4minjector

poweredtransonicwindtunnel

栅指段、主排气段、主引射器段以及构成风洞空气回路的三个扩散段和四个拐角段等14个主要部段组成。风洞回路水平布置,中心轴线尺寸66.5m×33m,中心轴线标高6m。风洞回路支座可承受洞体回路整体水压试验时的13000t载荷。目前,风洞配置声速喷管和跨声速试验段(半模试验段正在加工中),可以承担全机模型气动力试验。喷管和试验段通过位于驻室一侧的驻室大门(10.5m×7.0m)出入风洞主回路。工作人员通过位于第一扩散段入口处的驻室小门进入试验段。风洞由位于第二拐角下游的多喷管中压气体引射器驱动。在跨声速试验段外围为直径Υ10m的驻室,由驻室流量阀节流控制驻室抽气量,实现对试验段M数控制。位于支架段下游是正方形截面通道的栅指段,在其两侧壁分别设置有由六个对称截尾翼型指状物构成的栅指,通过栅指垂直于主气流通道的伸缩量调节,控制试验段M数。主排气段位于第一、二拐角段之间,主排气段外围的排气驻室与风洞主排气系统相通。通过主排气阀开度调节,实施对风洞稳定段压力控制。位于风洞回路一侧有排气吸声道和排气消声器。风洞内气体经排气消声塔排入大气。增压试验状态,排气噪声为81.2dB(A)。

1.2　风洞测控系统组成风洞测控系统包括风洞控制系统、测量系统及控制与测量系统之间信息通讯网络。采用总线型以太网结构。由一个HUB联接各接口,构成一个局域网。网上分别配置有一个ALPHA服务器、七台586工作站和两个GE公司PLC(可编程控制器)等设备。

55第3期 董谊信等:CARDC2.4m引射式跨声速风洞设计与运行调试控制系统包括运行参数、安全联锁、监督管理、监控显示、洞体状态、移动部段机构和液压伺服系统,以及控制系统内部及其与测量系统之间信息通讯的网络系统组成。测量系统由VXI系统,PSI8400系统和数据库管理系统组成。VXI系统和PSI8400系统用来完成风洞测力、测压试验和风洞性能校测。数据库管理系统完成对风洞运行条件、电子扫描阀测压系统、VXI数采系统以及控制系统等四部分试验数据的管理。

1.3　风洞运行方式与基本试验程序风洞运行参数控制是系统核心部分,包括压力控制、M数控制和模型姿态控制。图2

图2　2.4m风洞运行参数控制系统组成Fig.2　Operationprocessdiagram

为风洞运行流程图。风洞运行有常压和定压(增压)两种状态。两种总压控制方式,即主调压阀和主排气阀控制。三种M数控制方式,即栅指控制、驻室抽气控制或“栅指+驻室抽气”组合控制。采用主排气阀控制稳定段压力、由栅指(或驻室抽气)控制M数,实现风洞定压(增压)运行是2.4m风洞主要运行方式。可以同时实现风洞总压和M数的精确控制,保证在最短的时间内,完成预定的模型气动力试验程序。

2　总体设计与若干技术的解决

2.1　试验模拟能力与风洞性能指标 图3给出该风洞试验雷诺数模拟能力。表1给出该风洞与国内外大尺寸常规跨声

图3　2.4m风洞试验雷诺数模拟能力Fig.3　Reynoldsnumberfor2.4mwindtunnel

速风洞试验Re数模拟能力的比较。2.4m风洞性能设计点:M=0.9,Rec=12×106,

最高工作压力P0=4.5×105Pa状态下,M=0.9,Rec=15×106。该风洞中,在满足气动细节模拟的同时,可以实现先进歼击机模型试验所期望的Re数值Reb≥40×106的试验条件,可以满足多数运输机试验所期望的风洞试验Re数值Reb≥10×106的要求(b为试验模型平均气动力弦长)。若采用半模型,则可提供更高试验Re数。风洞性能调试结果指出,该风洞试验M数下限可以从M=0.5(设计值)延拓到M=0.30。实现了与大型低速风洞试验数据的衔接,完善了国内高低速风洞试验能力的配套。

56流　体　力　学　实　验　与　测　量 (2001)第15卷表1　国内外常规跨声速风洞试验Re数模拟能力比较Tab.1　Reynoldsnumbercomparedwithotherfacilities序国别单　位风　洞　名　称尺寸/m压力/105PaRec/10

6

1美国AEDC16英尺推进风洞4.801.810.02美国兰利中心16英尺跨声速风洞4.801.06.63美国罗克韦尔公司7英尺三声速下吹式风洞2.102.07.0

4俄罗斯中央流体动力研究院T-1282.754.011.05瑞典FFAT-15001.504.39.06中国CARDC1.2m跨超声速风洞1.201.22.17中国CARDC2.4m引射式跨声速风洞2.404.515.0

2.2　风洞驱动方式法国T2引射式风洞和瑞典FFAT-1500引射式风洞均采用高压气体固定喷嘴多喷管引射器驱动方案。其优点是可以使用高的引射压力容易获得高的引射效率并实现风洞增压运行试验能力。2.4m风洞采用可更换喷嘴的多喷管中压气体引射器驱动方案。可使风洞在不同工作压力状态下,均可以正常运行,并有较高的运行效率和长的运行时间,达到高压气源驱动方案同样的效果。该方案在国际上是首创。在常用工况下,压缩空气消耗量仅为试验段运行流量的1/4。型号试验日吹风量曾达32次/天。

2.3　风洞气动布局与设计国内现有的跨超声速风洞所采用的直流下吹式或半回流引射式暂冲型风洞布局型式,M数和总压的控制精度提高有一定局限性。本风洞采用增压回流引射式气动布局,采用多喷管引射器技术方案,可使大部分气体在风洞回路中重复循环使用。改变国内现有跨超声速风洞中超扩段的传统布局设计,在试验段下游配置栅指段,可采用“栅指”、“驻室抽气”、“驻室抽气+栅指”等组合控制M数。由四个并行设置的风洞主排气阀和柱型开孔扩压器等部件组成特殊排气系统,它完全不同于国内现有跨超声速风洞直流式排气系统的设计概念。该排气系统提供部分低能气体排出通道,同时实现稳定段总压控制。在国内跨声速风洞中首次成功地实现M数与总压独立控制,进而可实现多种试验程序,并大大地提高了试验数据精准度。M数控制精度ΔM≤0.002,总压控制精度Δp0/p0≤0.2%。