高速風(fēng)洞斜孔壁壁面流動(dòng)模型的建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速風(fēng)洞斜孔壁壁面流動(dòng)模型的建立方法，應(yīng)用于跨聲速斜孔透 氣壁風(fēng)洞洞壁干擾修正。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在各種干擾中，洞壁干擾是影響風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的一個(gè)重要因素。特別是對(duì) 于跨聲速風(fēng)洞來說，由于其流場極其復(fù)雜，亞跨超流動(dòng)均存在，且流場中還存在激波、漩渦 以及相互間的各種干擾，使得流場呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性特性，此外試驗(yàn)段透氣壁(開孔或開槽 壁)的橫流特性非常復(fù)雜使得透氣壁邊界條件難以準(zhǔn)確確定?？缏曀亠L(fēng)洞洞壁干擾還受到 雷諾數(shù)效應(yīng)以及流場品質(zhì)的影響，當(dāng)進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)模型支架也會(huì)干擾試驗(yàn)段流場，當(dāng)然 風(fēng)洞試驗(yàn)還難免存在試驗(yàn)誤差。正是由于這些方面因素的影響，使得跨聲速風(fēng)洞洞壁干擾 量很難得到，因此跨聲速洞壁干擾問題一直是試驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中眾所周知的難題之 〇
[0003] 對(duì)于跨聲速風(fēng)洞而言，目前解決洞壁干擾問題的主要途徑如下：1)采用大尺寸試 驗(yàn)段的風(fēng)洞或?qū)⒃囼?yàn)?zāi)Ｐ偷某叽绫M量減小到最小，從而使洞壁干擾量小到可以忽略。在實(shí) 際工程應(yīng)用中，這種方法較為普遍，但也存在其局限性:風(fēng)洞試驗(yàn)段的尺寸不可能無限大， 而試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缫膊豢赡芎苄。驗(yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ统叽绫仨氁ＷC合適的試驗(yàn)雷諾數(shù)以及幾何 外形的模擬精度。2)采用自適應(yīng)壁試驗(yàn)段的風(fēng)洞，自適應(yīng)壁其原理主要是通過主動(dòng)調(diào)節(jié)試 驗(yàn)段洞壁外形來與模型繞流場的流線相互吻合，從而減小或者消除洞壁對(duì)模型繞流場的影 響。這是一種較為先進(jìn)的且有可能徹底解決洞壁干擾問題的方法，但對(duì)于跨聲速情況下由 于各方面限制，目前還很難得以應(yīng)用。3)采用洞壁干擾修正方法對(duì)試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行修 正。這種方法是相對(duì)比較實(shí)用的，不需要耗費(fèi)較多的人力和物力，而且有助于了解洞壁干擾 的機(jī)理，是目前解決洞壁干擾問題的主要途徑。
[0004] 洞壁干擾修正方法一般可以分為純?cè)囼?yàn)修正方法和計(jì)算修正方法，而壁壓信息法 則屬于計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的修正方法。純?cè)囼?yàn)修正方法主要有以下兩種做法:一是將同一 個(gè)模型分別放在相同實(shí)驗(yàn)條件下的大小風(fēng)洞中做對(duì)比試驗(yàn)，一般要求該模型在大風(fēng)洞中的 阻塞度不能大于〇. 1 %，因此可將大風(fēng)洞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)視為無洞壁干擾的數(shù)據(jù);二是采用一組 (一般為四個(gè)或以上)尺寸不同但幾何相似的模型在同一個(gè)風(fēng)洞中進(jìn)行相同馬赫數(shù)和雷諾 數(shù)的試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型大小進(jìn)行外插得到無洞壁干擾的結(jié)果。
[0005] 使用洞壁邊界條件表達(dá)式的洞壁干擾計(jì)算修正方法卻能夠較好地運(yùn)用到跨聲速 風(fēng)洞洞壁干擾修正問題上，這類修正方法的特點(diǎn)是:首先用理論、數(shù)值模擬或半經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)方 法確定風(fēng)洞壁邊界條件表達(dá)式以及表達(dá)式中的風(fēng)洞壁透氣參數(shù)，然后由此邊界條件、基本 流動(dòng)方程以及模型擾動(dòng)計(jì)算出洞壁干擾修正量。
[0006] 研究發(fā)現(xiàn)，透氣壁的壁面幾何參數(shù)和流場參數(shù)（比如壁面透氣率、壁板厚度、附面 層厚度、壁板兩側(cè)的壓差)均會(huì)影響到透氣壁的透氣特性，此外試驗(yàn)雷諾數(shù)和馬赫數(shù)也與之 相關(guān)，這就使得透氣特性參數(shù)并非固定為常數(shù)，透氣壁邊界條件也并非完全呈線性。由于跨 聲速風(fēng)洞洞壁邊界條件的復(fù)雜性，使得目前很少有風(fēng)洞單位對(duì)跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行洞 壁干擾修正。
[0007] 目前，我國各風(fēng)洞單位的跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段大部分都是采用直孔壁或斜孔壁，但 到目前為止國內(nèi)還沒有發(fā)展出一種針對(duì)開孔壁試驗(yàn)段的壁面流動(dòng)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008] 本發(fā)明提供一種高速風(fēng)洞斜孔壁壁面流動(dòng)模型的建立方法，通過計(jì)算流體力學(xué)的 方法模擬單個(gè)孔的質(zhì)量流量與深徑比、馬赫數(shù)、邊界層位移厚度、兩側(cè)壓差、孔的傾斜角的 關(guān)系，建立起透氣壁洞壁邊界流動(dòng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，將此模型應(yīng)用于CFD計(jì)算中的透氣壁壁 面數(shù)值計(jì)算邊界條件，來修正跨聲速風(fēng)洞的洞壁干擾。
[0009] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種高速風(fēng)洞斜孔壁壁面流動(dòng)模型的建立方法，其包 括如下步驟：
[0010] (1)建立單個(gè)斜孔的開孔壁風(fēng)洞幾何模型并對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0011] (2)給定幾何模型風(fēng)洞入口處的自由來流馬赫數(shù)；
[0012] (3)對(duì)孔兩側(cè)小壓差、自由來流馬赫數(shù)、邊界層位移厚度、孔的深徑比以及孔的傾 斜角，確定邊界層位移厚度對(duì)質(zhì)量流量與孔兩側(cè)小壓差關(guān)系直線的截距影響因子，確定邊 界層位移厚度對(duì)質(zhì)量流量與孔兩側(cè)小壓差關(guān)系直線的斜率影響因子，確定自由來流馬赫數(shù) 對(duì)質(zhì)量流量與孔兩側(cè)小壓差關(guān)系直線的斜率影響因子，確定孔的傾斜角對(duì)質(zhì)量流量與孔兩 側(cè)小壓差關(guān)系直線的斜率影響因子，確定孔的傾斜角對(duì)質(zhì)量流量與孔兩側(cè)小壓差關(guān)系直線 的截距影響因子；
[0013] (4)根據(jù)各影響因子建立孔兩側(cè)小壓差和質(zhì)量流量關(guān)系的壁面流動(dòng)模型。
[0014]進(jìn)一步地，所述自由來流馬赫數(shù)由總壓、靜壓獲得：
[0016]
γ為比熱比，P〇、ps分別為總壓和靜壓，R為氣體常數(shù)，T s為絕 對(duì)溫度，V為空氣的來流速度，C為聲速。
[0017] 進(jìn)一步地，
[0018] 所述邊界層位移厚度的截距影響因子的獲得方法為：
[0019]選取傾斜角為90°的孔，選取該孔的深徑比和自由來流馬赫數(shù)，
[0020] 選取四個(gè)以上邊界層位移厚度P/D，
[0021] 在[_0.1，0.1]之間隨機(jī)選取10個(gè)以上的孔兩側(cè)小壓差，對(duì)所有的小壓差進(jìn)行流動(dòng) 的數(shù)值計(jì)算得到每個(gè)孔的質(zhì)量流量和壓差擬合成直線，
[0022]獲得四條邊界層位移厚度所對(duì)應(yīng)直線的截距，
[0023] 獲得邊界層位移厚度P/D與截距影響因子的關(guān)系；
[0024] 所述斜率影響因子與AMa獲得方法為：
[0025] 選取傾斜角為90°的孔，選取該孔的深徑比和自由來流馬赫數(shù)，
[0026] 選取四個(gè)以上邊界層位移厚度P/D，
[0027] 在[_0.1，0.1]之間隨機(jī)選取10個(gè)以上的孔兩側(cè)小壓差，對(duì)所有的小壓差進(jìn)行流動(dòng) 的數(shù)值計(jì)算得到每個(gè)孔的質(zhì)量流量和壓差擬合成直線；
[0028] 選取四個(gè)不同馬赫數(shù)時(shí)斜率，以斜率為縱坐標(biāo)，邊界層位移厚度的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo) 建立擬合曲線；
[0029] 得到四條不同馬赫數(shù)條件下的擬合直線，由于四條直線的斜率接近，選取平均值 作為Λ'截距為馬赫數(shù)影響因子，將這四個(gè)截距取出，以馬赫數(shù)為橫坐標(biāo)，這四個(gè)截距為縱 坐標(biāo)繪制擬合曲線，得到Am 3 ;
[0030] 由于孔的傾斜角影響因子主要分為出流情況和入流情況，所以取值區(qū)間有所差 異，出流情況時(shí)孔的傾斜角在[45°，90° ]之間取值，入流情況時(shí)孔的傾斜角在[90°，150° ]之 間取值，當(dāng)傾斜角為90°時(shí)，既可以是出流情況也可以是入流情況，主要取決于此時(shí)的孔兩 側(cè)的壓差情況；
[0031] 所述斜率影響因子Ae的獲得方法為：
[0032] 出流情況：
[0033]選取孔的深徑比、自由來流馬赫數(shù)和邊界層位移厚度，在[45°，90° ]之間隨機(jī)選取 4個(gè)以上的傾斜角作為計(jì)算模型，對(duì)所有的小壓差進(jìn)行流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算得到每個(gè)孔的質(zhì)量 流量和壓差擬合成直線；
[0034] 選取四個(gè)不同邊界層位移厚度時(shí)的斜率，借助之前90°時(shí)已經(jīng)建立的壁面流動(dòng)模 型，將選取的四個(gè)斜率均扣除傾斜角為90°時(shí)的斜率，此時(shí)得到的四個(gè)斜率差值即為單獨(dú)傾 斜角變化導(dǎo)致的斜率變化，以該斜率差值為縱坐標(biāo)，孔的傾斜角為橫坐標(biāo)建立三次擬合