高速下模型頭部擾動與非對稱渦流動響應研究

賀 中，吳軍強，蔣衛民，吳繼飛

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽621000）

0 引 言

近年來，為提高現代戰斗機和戰術彈的格斗敏捷性和機動性，往往要求其實現大迎角甚至過失速飛行。細長旋成體在無側滑大迎角條件下其繞流流場呈現出復雜的非對稱渦流動現象，伴隨著出現甚至比法向力更大的側向力，為此眾多學者對細長體大迎角繞流現象及其氣動特性進行了大量的研究，其中包括非對稱渦產生的機制，非對稱渦隨流向的發展，前體渦的控制等等。

人們在細長旋成體非對稱背渦流動的常規風洞實驗中發現，旋成體的非對稱背渦流場及其側向力特性對實驗中存在的各種微小擾動，特別是模型頭部的微小擾動非常敏感，即使是模型精細加工中存在的幾何公差都會成為這樣的擾動，而這類擾動既不能控制，也不清楚它們的大小及其在模型上的分布，當模型處于不同的滾轉角位置時，側向力的大小或方向都會由于這種擾動大小和分布相對于來流的不同而不同，從而導致眾多研究者對具有同樣幾何外形的旋成體模型進行實驗時，所得側向力實驗數據不僅十分分散，甚至互相矛盾，而且側向力隨滾轉角的變化缺乏規律性［1-4］，以致人們認為非對稱渦流動是一種不確定性流動。國外稱該現象為模型的“微不對稱”，國內一般稱為“表面微幾何效應”。

關于細長旋成體模型頭部人工擾動對非對稱渦流動的影響，近期人們進行了大量的研究。例如Degani等［4-5］在模型頭部區域安裝可伸縮的鋼絲作為頭部擾動，得到了側向力隨鋼絲伸出長度的變化關系。Berhardt和Williams［6］通過在旋成體頭部的±135°的周向位置上設置通氣小孔，利用吹、吸氣作為擾動來研究吹、吸氣動量系數對側向力的影響。Murman等進行了數值模擬研究［7］。國內鄧學鎣和陳學銳等通過在模型頭部設置人工擾動的實驗研究，揭示了非對稱渦流動的不確定性是源于頭部擾動的不確定性而不是流動的本身。在尖頭細長旋成體模型的頭部設置人工擾動與模型在加工中存在的幾何微不規則擾動相比，對雙穩態非對稱渦流動的影響具有主控作用。從而在人工擾動的作用下，使細長體側向力隨滾轉角的變化呈現為有規則的雙周期方波變化規律。特別是迎角在45°～65°范圍內，側向力隨滾轉角表現出近似方波形式的變化規律，其相應的非對稱渦流場呈現出雙穩態特性［8-10］。

然而，以上的研究基本上是在低速情況下進行的，高速情況下模型頭部擾動和非對稱渦流動響應之間的確定性關系尚缺乏系統的研究，因此將對此開展研究。

1 試驗模型、設備和測試技術

1.1 試驗模型

試驗模型采用尖拱-圓柱旋成體模型，其圓柱段直徑D為0.05m，尖拱段頭部長度為3D，模型總長為10D。模型表面上布置了9個剖面共計172個測壓點。為了考察頭部擾動與非對稱流動的響應關系，模型的頭尖段（軸向長為0.02m）可任意旋轉周向角度，并加工了兩個外形完全一致的頭尖部。試驗模型在風洞中照片見圖1。

圖1 模型在風洞中照片Fig.1 Photo of the test model in the wind tunnel

共進行了兩期試驗，第一期試驗采用三角片微擾動，第二期試驗采用陶瓷小球作為模型頭尖部人工微擾動，小球直徑約為0.1mm。兩期試驗中，人工微擾動均粘貼在模型頭尖部。

圖2 模型頭尖部人工微擾動試驗照片Fig.2 Photos of micro artificial perturbation on the tip of model

1.2 風洞和測試技術

試驗在中國空氣動力研究與發展中心0.6m 高速風洞中完成。該風洞是一座試驗段橫截面尺寸為0.6m×0.6m 的直流暫沖下吹式三聲速風洞，風洞M數運行范圍為0.3～4.0。

同時進行了模型表面壓力測量和PIV 空間流態測量。測壓設備為PSI8400電子掃描閥，壓力傳感器的精度為0.05%。PIV 系統由硬件和軟件兩部分組成，其中示蹤粒子發生器有40個Laskin噴管；雙脈沖激光器為KSP-600，波長532 nm，單脈沖功率600 mJ；CCD 分辨率為2000pixel×2000pixel。試驗采樣幀頻為5Hz，每次采集15 幀速度場，速度場網格32pixel×32pixel。圖像處理軟件為Micro Vec3，測量結果用Tecplot軟件進行處理。

2 試驗結果及分析

兩期試驗的M數范圍均為0.4～1.2，迎角范圍為0°～50°，側滑角為0°，基于彈身直徑的Re數范圍為（0.43～1.06）×106。

2.1 非對稱多渦系流動

圖3給出的是不同M數下截面側向力系數沿模型軸向的變化。圖中可以看出：在α≤20°范圍內，基本不存在流動非對稱性；α≥30°以后，流動表現出了非對稱性。在大迎角范圍內，截面側向力沿軸向呈現減幅正弦分布形式，暗示了在高速情況下細長旋成體的大迎角背風渦也是非對稱的多渦系結構。隨M數增加，非對稱性減弱。

圖3 不同迎角下截面側向力沿軸向變化Fig.3 The side force coefficient along axial direction at different angles of attack

圖4給出了自然擾動情況下α=40°時PIV 測量結果，直觀地證實了模型背風側出現的非對稱多渦結構。當橫流馬赫數達到0.4 以上時，流動趨于對稱（如圖4（b）所示）。

2.2 模型頭尖部旋轉試驗

圖4 自然擾動下X／D=3.35截面的PIV 測量結果Fig.4 PIV test results at X／D=3.35 with nature disturbance

兩期試驗中均分別進行了自然擾動條件下和人工擾動條件下旋轉模型頭尖部的測壓試驗。圖5給出了第一期試驗中M=0.4、0.8及α=40°的結果，可以看出設置人工擾動后，未能獲得象低速情況下的雙穩態結果。其它M數和迎角下試驗結果類似，僅存在程度的差別。是否僅僅是因為三角片微擾動的效果不好呢？第二期試驗更換了陶瓷小球作為人工擾動。

圖5 第一期試驗模型頭尖旋轉試驗結果Fig.5 The test results in first phase with model tip rotation

圖6給出了第二期試驗獲得的截面側向力沿軸向變化曲線。同樣，當旋轉模型頭尖部時，能夠看出截面側向力方向發生了切換，但是分布散度較大，還是沒有獲得雙穩態的試驗結果。綜合兩期試驗結果，大迎角下模型頭尖部的擾動對非對稱流動的影響增大，表現在當α＞30°后，旋轉模型頭尖后的測壓結果曲線散布增大。

圖6 第二期試驗模型頭尖旋轉試驗結果Fig.6 The test results in second phase with model tip rotation

2.3 對不同頭尖部之間設置人工擾動的作用

按照在低速情況下研究的結論，在模型頭尖部設置的人工擾動對非對稱流動起著主控作用，將抑制模型加工中存在的擾動大小和分布的隨機性所引起的流動不確定性。為此，采用了兩個按照完全相同的設計尺寸加工的模型頭尖進行了對比試驗，以反映自然擾動的不同分布。圖7和8分別給出了自然擾動條件下和人工擾動（陶瓷小球）條件下兩個模型頭尖的對比試驗結果。

圖7 自然擾動條件下兩個模型頭尖的截面側向力隨滾轉角變化Fig.7 Variation of side force coefficient with roll angles between two model tips at nature perturbation

圖8 人工擾動條件下兩個模型頭尖的截面側向力隨滾轉角變化Fig.8 Variation of side force coefficient with roll angles between two model tips at artificial perturbation

從圖中可以看出，自然擾動條件下，兩個模型頭尖測得的側向力系數隨滾轉角變化曲線不一致，這說明了自然擾動的隨機性和不確定性。粘貼人工微擾動后，增加了對流動非對稱性的影響，側向力隨模型頭尖滾轉角曲線有重合的趨勢，但是并不能完全重復，也沒有出現規則的方波現象。試驗獲得的其它M數、迎角以及截面條件下的結果，變化規律與圖中類似。

2.2和2.3節兩方面的結果表明，在高速試驗條件下，細長旋成體模型的大迎角非對稱特性與模型頭尖部的人工微擾動之間的響應關系表現得并不十分明確，均未能獲得像低速情況下的雙穩態、雙周期那樣有規律的試驗曲線，即使模型頭尖部的人工微擾動改變了背風渦的左右渦系，但模型的側向力還受其它因素的影響。

2.4 人工擾動作用的流場分析

圖9給出了當設置人工微擾動（γA=315°）情況下測量的α=40°的PIV 試驗結果。

與圖4相比，當頭尖部粘貼微擾動后，可以清楚地看到X／D=3.35截面有微擾動的同側渦升高，非對稱性增加；并且，從X／D=2.0 截面的流場圖看，此時仍然是2渦系，說明人工微擾動確實能夠影響背風渦系結構。該現象與鄧學鎣教授在低速情況下獲得的結果一致，即人工微擾動導致同側渦位置升高形成高位渦（本期PIV 結果顯示，還導致3渦系在模型軸向位置提前），同時證明了不是人工微擾動本身產生一個渦來改變背風渦結構。當M數增加（橫流M數超過0.4），流場結構趨于對稱，即使設置了人工擾動也不能改變。

圖9 人工擾動下X／D=2.0和3.35截面的PIV 測量結果Fig.9 PIV test results at X／D=2.0，3.35with artificial perturbation

圖10分別給出了人工擾動設置在γA=135°和315°情況下，M=0.4和α=40°時X／D=3.35截面的PIV 試驗結果。從頭尖微擾動粘貼在左右對稱的相對位置時的流場觀測結果可以看出，微擾動粘貼位置從一側改變到對稱的另一側，都使粘貼微擾動同側的渦位置升高，因而圖10（a）和圖6（b）近似于鏡像對稱。該結果說明，在高速情況下，頭尖部的微擾動仍然能有效地影響流動的非對稱性。

圖10 不同人工擾動位置下的PIV 測量結果Fig.10 PIV test results with different position of artificial perturbation

雖然PIV 測量的流動結構顯示了在高速情況下模型頭尖部人工微擾動仍然起作用，即模型頭尖部人工微擾動與非對稱渦（空間流態）之間存在確定的響應關系，但在測壓結果顯示的模型各截面的側向力（物面上的氣動力）與模型頭尖部人工微擾動的響應關系并不象低速情況下那么明確，即文獻［10］等提到的雙周期和雙穩態現象，以及人工擾動情況下旋轉不同模型頭尖得到的側向力變化趨于一致。作者認為應該從雷諾數影響方面找原因。由于試驗條件的限制，所進行的高速風洞試驗的試驗雷諾數主要處于跨臨界雷諾數范圍。繞模型的邊界層流動經歷從層流到湍流，模型兩側邊界層發展不對稱引起的對模型表面壓力的不對稱，要大于非對稱渦引起的模型表面壓力不對稱。本次試驗結果還表明，在臨界Re數范圍（ReD=0.2×106～2.0×106），Re數對尖拱細長旋成體大迎角非對稱流動有明顯影響。圖11給出了在人工擾動下的典型測壓曲線結果，從截面壓力系數變化曲線可以看出流動表現為跨臨界Re數的流動。

圖11 典型測壓結果Fig.11 The typical results of pressure measurement

3 結 論

（1）在高速情況下，細長旋成體的大迎角流動仍然可能出現非對稱的多渦系流動結構；

（2）模型頭尖部人工微擾動與大迎角非對稱渦（空間流態）之間存在確定的響應關系，但對高速測壓結果影響規律不明顯。

參考文獻：

［1］ HUNT B L.Asymmetric vortex forces and wakes on slender bodies［R］.AIAA 82-1336，1982.

［2］ LAMONT P J.The complex asymmetric flow over a 3.5D ogive nose and cylindrical afterbody at high angle of attack［R］.AIAA 82-0053，1982.

［3］ DEXTER P C，HUNT L.The effect of roll angle on the flow over a slender body of revolution at high angles of attack［R］.AIAA 81-0358，1981.

［4］ ZILLIAC G G，DEGANI D，TOBAK M.Asymmetric vortices on a slender body of revolution［J］.AIAA Journal，1991，29（5）：667-675.

［5］ DEGANI D，TOBAK M.Numerical，experimental，and theoretical study of convective instability of flow over pointed bodies at incidence［R］.AIAA 91-0291.

［6］ BERNHARDT J E，WILLIAMSD R.Proportional control of asymmetric forebody vortices［J］.AIAA Journal，1998，36（11）：2087-2093.

［7］ SCOTTM Murman.Geometric perturnations and asymmetric vortex shedding about slender pointed bodies［R］.AIAA-2000-4103，2000.

［8］ CHEN Xue-rui，DENG Xue-ying，WANG Yan-kui，et al.Influence of nose perturbations on behaviors of asymmetric vortices over slender body［J］.ACTA Mechanica Sinica，2002，18（6）：581-593.

［9］ DENG X Y，TIAN W，MA B F，et al.Recent progress on the study of asymmetric vortex flow over slender bodies［J］.Acta Mech Sin，2008，24：475-487.

［10］鄧學鎣，王剛.細長體大迎角流動的確定性和多渦系結構的研究［A］.第十屆全國風洞實驗會議［C］，2002.

［11］范召林，侯躍龍，王元靖.細長體大迎角流動的非對稱特性及聲激勵控制研究［J］.空氣動力學學報，2003，21（1）：20-28.

［12］賀中，范召林，王元靖.細長體大迎角壓縮性效應試驗分析［J］.空氣動力學學報，2010，28（3）：332-335.