型面旋轉(zhuǎn)變馬赫數(shù)風(fēng)洞噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252014Vol35No51216—1225ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn型面旋轉(zhuǎn)變馬赫數(shù)風(fēng)洞噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)范志鵬，徐驚雷*，呂鄭，莫建偉南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016摘要：型面旋轉(zhuǎn)的變馬赫數(shù)可調(diào)風(fēng)洞噴管因其能夠?qū)崿F(xiàn)出口馬赫數(shù)的連續(xù)快速變化、調(diào)節(jié)容易和流場(chǎng)品質(zhì)較好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前地面變馬赫數(shù)風(fēng)洞研究的熱點(diǎn)。將出口馬赫數(shù)范圍為2．0～4．0的變馬赫數(shù)風(fēng)洞噴管作為研究對(duì)象，基于

2、iSIGHT和Fluent等軟件搭建了適于該風(fēng)洞噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，研究了型線設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)點(diǎn)馬赫數(shù)、初始膨脹線和附面層修正量等因素對(duì)變馬赫數(shù)出口流場(chǎng)的影響，應(yīng)用NSGAlI算法在依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)所構(gòu)建的Kriging近似模型上搜索，得到最優(yōu)的風(fēng)洞噴管基準(zhǔn)型線，并對(duì)該基準(zhǔn)型線進(jìn)行二維、三維數(shù)值仿真校核，結(jié)果顯示：通過(guò)旋轉(zhuǎn)優(yōu)選得到的基準(zhǔn)型線能夠得到馬赫數(shù)范圍為2．o～4．0的變馬赫數(shù)出口流場(chǎng)，且流場(chǎng)均勻性基本滿足固定型面、單設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)洞噴管的國(guó)軍標(biāo)(GJB117991)合格指標(biāo)，為變馬赫數(shù)可調(diào)風(fēng)洞噴管在變馬赫數(shù)風(fēng)洞中的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；噴管；變馬赫數(shù)；型面旋轉(zhuǎn)

3、；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值仿真中圖分類號(hào)：V231．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10006893(2014)05—1216—10超聲速飛行器飛行過(guò)程中的一些特殊工況，如加／減速過(guò)程中飛行器整體性能的變化、組合發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)級(jí)過(guò)程中性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等口。2]，很大程度上限制著當(dāng)代超聲速飛行器的發(fā)展。為了研究飛行器變速過(guò)程中性能的諸多響應(yīng)，要求地面試驗(yàn)設(shè)備能夠盡可能準(zhǔn)確地模擬飛行器的真實(shí)工作環(huán)境，提供與飛行器飛行工況相似的連續(xù)變化流場(chǎng)。變馬赫數(shù)的風(fēng)洞是地面試驗(yàn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)變化的有效途徑，在其發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了諸多變馬赫數(shù)方案，比如變比熱比、風(fēng)洞噴管出口加拉伸段和噴管喉部加塞錐等[3。4]，這

4、些方案都可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞噴管出口流場(chǎng)速度的變化，但卻都因存在可變馬赫數(shù)范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和造價(jià)高等諸多問(wèn)題而沒(méi)得到普遍應(yīng)用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外變馬赫數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)中，應(yīng)用比較廣泛的是采用柔壁風(fēng)洞噴管，通過(guò)液壓作動(dòng)改變噴管型線來(lái)適應(yīng)不同的出口馬赫數(shù)，但是這種變馬赫數(shù)方式仍然存在結(jié)構(gòu)繁瑣、調(diào)節(jié)復(fù)雜和密封困難等問(wèn)題。目前出現(xiàn)了一種新型變馬赫數(shù)風(fēng)洞方案[5。6]，該方案將經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)洞噴管型線固定，通過(guò)作動(dòng)使得噴管壁面繞出口端支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)噴管喉道高度，實(shí)現(xiàn)噴管出口馬赫數(shù)的連續(xù)變化。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)容易、流場(chǎng)響應(yīng)迅速，但是為了使得風(fēng)洞噴管在變馬赫數(shù)范圍內(nèi)出口流場(chǎng)均有較好的流場(chǎng)品質(zhì)，就需

5、要噴管基準(zhǔn)型線有較好的性能。文獻(xiàn)E7]對(duì)單點(diǎn)名義馬赫數(shù)3．5時(shí)的超聲速噴管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)1-83對(duì)二元撓性壁風(fēng)洞噴管的型面進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)這些優(yōu)化過(guò)程使得出口流場(chǎng)核心流速度場(chǎng)的均勻性大大提高。在這些研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)上，本文對(duì)這種新型的旋轉(zhuǎn)型面變馬赫數(shù)可調(diào)風(fēng)洞噴管，進(jìn)行了收稿日期：2013—05—17；退修日期：2013—10—08；錄用日期：2013—11—25；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013—12—2518：27網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000—68932013．0478．html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(9091602

6、3，51176075)*通訊作者Tel：025—84892240E—mail：xujl@nuaaeduca引用格武；FanZP．XuJL，LyuZ，etalOptimizationdesignofvariableMachnumberwindtunnelnozzlebyrotatingpro掘e￡JIActaAero—nauticaetAstronauticaSinica．2014．35(5)：1216．1225范志鵝，徐愫雷，g鄭．等i型面旋轉(zhuǎn)變馬赫數(shù)風(fēng)溺噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]航空學(xué)報(bào)，2014，35(5)：1216—1225．范志鵬等：型面旋轉(zhuǎn)變馬赫數(shù)風(fēng)洞噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)2

7、．o～4．0馬赫數(shù)范圍內(nèi)的型線優(yōu)化設(shè)計(jì)以及數(shù)值仿真研究，為后續(xù)該類變馬赫數(shù)風(fēng)洞的研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1計(jì)算方案1．1噴管幾何模型旋轉(zhuǎn)型面的變馬赫風(fēng)洞噴管工作方式如圖1所示，通過(guò)喉道附近的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)，使得噴管上下壁面分別繞各自出口旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)洞噴管出口面積基本不變的情況下調(diào)節(jié)喉道面積，得到不同面積膨脹比的風(fēng)洞噴管，實(shí)現(xiàn)出口流場(chǎng)馬赫數(shù)的連續(xù)變化。III觚嗽呱RotatlngpoInt．．躞緩笏蘊(yùn)圈m融灞緩勉勉玉FYnnnqicm11l圖1風(fēng)洞噴管工作示意圖Fig．1Windtunnelnozzleworkingschem