8 m×6 m低速风洞悬臂支撑机构远场干扰试验.pdf

文章编号：0258-1825(2023)07-0102-108 m 6 m 低速风洞悬臂支撑机构远场干扰试验刘李涛，黄志远，陈洪*，范利涛，李小兵，刘砚(中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，绵阳621000)摘要：8m6m 低速风洞悬臂支撑机构是风洞主力支撑装置，其对试验模型的气动干扰可分为近场干扰和远场干扰（主要为悬臂干扰）两部分，采用两步法进行的支撑干扰试验一般仅获取近场干扰量，而获取远场干扰量则较为复杂，普遍对其进行了忽略。本文在 8m6m 低速风洞采用流场测量和典型模型测力试验方法对悬臂支撑机构远场（悬臂）干扰进行了研究，获得了较为可靠的悬臂干扰特性，并建立了基本修正方法，可为后续 8m6m 低速风洞悬臂支撑机构远场干扰通用修正方法的建立和验证提供数据支撑。关键词：低速风洞；悬臂支撑机构；远场干扰；试验；修正方法中图分类号：V211.7文献标识码：Adoi：10.7638/kqdlxxb-2022.0110Experiment of far-field interference of cantilever support devicein 8 m 6 m low speed wind tunnelLIULitao，HUANGZhiyuan，CHENHong*，FANLitao，LIXiaobing，LIUYan(Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang621000,China)Abstract:Thecantileversupportdeviceisoneofthemostcommonlyusedsupportdevicesinthe8m6mlow-speedwindtunnel.However,itinevitablyexertsaerodynamicinterferenceonthetestmodel,whichcanbedividedintonear-fieldandfar-fieldinterferences.Correctionoftheaerodynamicinterferenceisindispensableforobtaining reliable aerodynamic performance of testing models.The two-step method is commonly used inconventionalsupportinterferencetests,whereonlythenear-fieldinterferenceisusuallyobtained,butthefar-fieldinterferenceisdifficulttoacquire.Inthispaper,theaerodynamicinterferenceofthecantileversupportdeviceisstudiedbyflowfieldandforcemeasurementoftypicalmodelsinthe8m6mlowspeedwindtunnel(FL-13)of China Aerodynamic Research and Development Center.Based on analyses of the interferencecharacteristics of the cantilever support device,we propose an effective method for correcting the supportinterference.These results provide valuable support for developing and verifying the far-field interferencecorrectionmethodsinthe8m6mlowspeedwindtunnel.Keywords:lowspeedwindtunnel；cantileversupportdevice；far-fieldinterference；test；correctionmethod 0 引言风洞试验中，模型支撑装置的存在会对模型表面及其附近流场产生影响（磁悬浮除外），从而对测量的模型气动数据带来干扰1-2，有些测量值甚至会严重偏离真实结果。国内外研究者针对风洞试验支撑干扰问题进行了大量的研究，探索出了许多支撑设计优化和工程修正方法，并积累了宝贵的经验3-12。中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 8m6m 低速风洞（FL-13）主力支撑装置为悬臂支撑机构，运输类飞机模型主要采用基于该机构的斜腹撑形式支撑（如图 1 所示）试验，该支撑装置由翼收稿日期：2022-06-24；修订日期：2022-09-27；录用日期：2022-10-13；网络出版时间：2022-11-17作者简介：刘李涛（1982），男，四川荣县人，副研究员，研究方向：低速风洞试验与计算研究.E-mail：通信作者：陈洪*（1975），男，四川简阳人，高级工程师，研究方向：低速风洞试验技术.E-mail：引用格式:刘李涛,黄志远,陈洪,等.8m6m 低速风洞悬臂支撑机构远场干扰试验J.空气动力学学报,2023,41(7):102111.LIULT,HUANGZY,CHENH,etal.Experimentoffar-fieldinterferenceofcantileversupportdevicein8m6mlowspeedwindtunnelJ.ActaAerodynamicaSinica,2023,41(7):102111(inChinese).doi:10.7638/kqdlxxb-2022.0110第41卷第7期空气动力学学报Vol.41，No.72023年7月ACTA AERODYNAMICA SINICAJul.，2023型支杆、直支杆、攻角头、悬臂和双立柱等部分组成。文献 13 中的 DNW-LLF 风洞模型支撑系统与8m6m 低速风洞悬臂支撑机构相似，均存在“悬臂”的特征，基于对该类支撑干扰的物理模型分析，可将其支撑干扰分解为近场干扰和远场干扰。尾流直接作用于模型的支撑干扰一般定义为近场干扰，而尾流不直接作用于模型的支撑干扰一般定义为远场干扰（如图 2 所示）。近场干扰区域远场干扰区域图 2 DNW-LLF 风洞支撑装置近场和远场干扰Fig.2 Near-field and far-field interferences of support device inDNW-LLF wind tunnelDNW-LLF 风洞支撑干扰的分解是基于气动干扰模型建立的。本文研究过程中，结合 8m6m 低速风洞悬臂支撑机构支撑干扰试验方法，对上述支撑干扰分解进行了调整：将可通过支撑干扰试验模拟的翼型支杆、直支杆、攻角头定义为近场支架，将不能（或难以）通过支撑干扰试验模拟的悬臂和双立柱定义为远场支架（如图 3 所示）。可见，按照 8m6m 低速风洞悬臂支撑机构支撑干扰试验方法，远场干扰量通常难以直接获取，而远场干扰中的悬臂干扰量在某些情况下又不能简单忽略，在一定程度上影响了试验数据准确度，应当对远场悬臂干扰特性进行研究和修正。本文针对悬臂干扰特点，在 8m6m 低速风洞采用流场测量和典型模型（主要为 CHN-T1 标模14-16）测力试验方法进行了研究。模型翼型支杆直支杆前悬臂后悬臂双立柱攻角头近场支架远场支架图 3 8 m 6 m 低速风洞悬臂支撑机构近场和远场支架Fig.3 Near-field and far-field parts of the cantilever support in8 m 6 m wind tunnel 1 悬臂支撑机构远场干扰误差分析为分析8m6m低速风洞悬臂支撑机构远场悬臂干扰的误差，对模型 4 种试验状态定义如图 4 所示：A 状态为“腹撑”状态（基本试验状态），B1 状态图 1 8 m 6 m 低速风洞悬臂支撑机构Fig.1 The cantilever support device in 8 m 6 m wind tunnelA状态B1状态B2状态C状态图 4 8 m 6 m 低速风洞悬臂支撑机构试验状态定义Fig.4 State definition of the cantilever support devicein 8 m 6 m wind tunnel第7期刘李涛等：8m6m 低速风洞悬臂支撑机构远场干扰试验103为“背撑+假腹撑”状态，B2 状态为“腹撑+假背撑”状态，C 状态为“背撑”状态。本文分别采用两种方法进行“两步法”支撑干扰试验，获取 A 状态（腹撑）支撑干扰量：方法一通过B1 状态和 C 状态获得，方法二通过 B2 状态和 C 状态获得，两种方法获取 A 状态支撑干扰量的计算公式如下：Fzj_A，方法一=FB1FCFzj_A，方法二=FB2FC(1)FFzj_A其中，表示气动力量值，表示气动力差量，下标表 示 A 状 态 支 架，下 标 B1、B2、C 分 别 表 示B1 状态、B2 状态、C 状态。方法一：B1 状态未模拟腹撑悬臂和双立柱，获得的支撑干扰量可表述为：Fzj_A，方法一=F腹撑近场(2)方法二：B2 状态未模拟背撑悬臂和双立柱，获得的支撑干扰量可表述为：Fzj_A，方法二=F腹撑近场+F腹撑悬臂F背撑悬臂(3)可见，方法二相对方法一获得的支撑干扰差量可表述为：Fzj_A，方法二Fzj_A，方法一=F腹撑悬臂F背撑悬臂(4)两种支撑干扰试验方法中，攻角头后部断面形成的死水区通常只能小部分模拟悬臂体积效应干扰，同时，当悬臂存在洗流（模型迎角或侧滑角较大，有明显升力或侧力）时，悬臂干扰特性将发生一定变化，导致两种方法获得的支撑干扰量均存在一定不足，实际上，理论腹撑支撑干扰量可表述为：Fzj_A，理论=F腹撑近场+F腹撑悬臂+F双立柱(5)可见，方法一和方法二获得的支撑干扰量均存在缺项，缺项分别为：Fzj_A，理论Fzj_A，方法一=F腹撑悬臂+F双立柱(6)Fzj_A，理论Fzj_A，方法二=F背撑悬臂+F双立柱(7)F腹撑悬臂F背撑悬臂其中，和量值与模型及其部件相对悬臂的位置和距离密切相关，同时还会受到攻角头模拟大小（部分模拟悬臂体积效应）和洗流大小的影F双立柱响。由于双立柱距离模型区较远，一般可忽略。本文在 8m6m 低速风洞对 CHN-T1 低平尾布局标模（图 5）和某高平尾布局模型采用上述两种方法进行了支撑干扰试验，图 6 和图 7 给出了腹撑干扰量曲线（未光顺）。其中，“B1-C”和“B2-C”分别表示方法一和方法二获得的支撑干扰量；“LowHT”和“HighHT”分别表示低平尾和高平尾布局模型。背撑+假腹撑腹撑+假背撑图 5 CHN-T1 标模支撑干扰试验Fig.5 Support interference test of CHN-T1 standard model由图 6 和图 7 可见，相比方法一，方法二获得的升力系数干扰量偏大（低平尾布局偏大约 0.035，高平尾布局偏大约 0.052），俯仰力矩系数干扰量偏小（低平尾布局偏小约 0.058，高平尾布局偏小约 0.145）；横向力、偏航力矩、滚转力矩系数干扰量对侧滑角的导数绝对值均有所偏大。上述结果是由于方法一和方法二获得的支撑干扰量缺项（即悬臂干扰量）不同造成的，可见，8m6m低速风洞悬臂支撑机构的远场悬臂干扰是不能简单忽略的，有必要进行研究和修正。为对悬臂干扰特性进行定量分析，本文在 8m6m 低速风洞分别采用流场测量试验和典型模型测力试验的方法对悬臂干扰进行研究。104空气动力学学报第41卷 2 悬臂干扰流场测量试验 2.1 流场测量试验内容与方法悬臂干扰流场测量试验在 8m6m 低速风洞无试验模型、保留特大攻角机构远场悬臂和双立柱条件下进行，采