考虑边界层影响的跨声速孔壁横流非线性特征分析

Focusing on the nonlinear boundary condition of transonic wind tunnel porous wall, studies of the porous wall boundary layer features and cross flow mechanism are carried out in near wall region. For engineering practice, seven-hole probe travelling technique with high spatial resolution is employed to reconstruct boundary layer structure under various pressure differences on porous walls analyzing coupling effect and development of boundary layer features and cross flow. Characteristic curves for porous walls with slanted holes and milled plate are obtained using cross flow velocity component and flow rate revealing the transformation and nonlinear characteristics, to explore the correlation between cross flow, boundary layer features and porous wall structures. By analyzing cross flow mechanism and dependent parameters, classical linear model will be improved and extended to obtain more accurate nonlinear cross flow model on the basis of porous wall parameters and boundary layer features, to evaluate the accuracy and limitations of existing mathematical models. This project can service domestic transonic wind tunnel design and utilization.

针对跨声速风洞试验段孔壁非线性边界条件问题，开展孔壁边界层特性及近壁区域横流机理研究。本项目直接面向工程应用需求，采用高空间分辨率的探针移测技术重构不同压差状态下孔壁边界层结构，分析孔壁横流与边界层特性的耦合影响及演化规律；基于横流速度分量测量和流量测量，获得斜孔、搓板等开孔结构的横流特征曲线，揭示其变化规律和非线性特征，探索孔壁横流与边界层、开孔结构的关系；分析孔壁横流机理、非线性特征和依赖参数，对经典线性模型进行完善和扩展，发展基于孔壁结构参数和边界层特性的非线性横流模型，评估现有数学模型的准确性和局限性，为我国跨声速风洞试验段孔壁设计和型号试验数据质量提升提供有力的技术支持。

孔壁横流特征是构建跨声速风洞孔壁边界条件的重要依据。高亚声速范围内，孔壁横流与模型绕流、孔壁边界层相互耦合，流动特征不仅受孔壁结构参数的影响，而且与试验状态和边界层状态密切相关，深入分析孔壁横流机理是孔壁干扰评估和修正的基础。当前孔壁横流研究通常基于线性边界条件，没有考虑压差、边界层、孔壁横流之间的相互影响；同时，鲜见针对边界层影响的建模分析。不仅限制了修正方法的使用范围，而且降低了孔壁干扰修正的准确度。为此，本项目针对跨声速风洞试验段孔壁横流非线性特征开展数值模拟与风洞试验测试，基于孔壁压差和流量关系分析孔壁横流特征随开孔结构参数、风洞运行状态的变化，获得近壁区域边界层特性，并评估模型升力和堵塞对孔壁横流的干扰影响，为试验数据分析和修正评估提供技术参考。按照项目研究计划，项目组依次完成了国外孔壁流动特性测试与建模调研、斜孔壁穿孔流动数值模拟、FL-21风洞斜孔壁流动特性测试装置设计加工以及试验验证工作。发展了以流量计和探针为主要测试仪器的穿孔流动特征测量方法，并完成了调试试验；获得了不同压差状态下孔壁附面层内速度恢复系数，分析了压差对附面层位移厚度的影响；获得了直孔、斜孔等4幅孔壁试验件的穿孔流动特征曲线，并根据试验结果计算了孔壁透气特性系数，利用修正前、后的数据进行了对比验证，为孔壁流动建模分析提供了有力手段。本项目研究成果有益于评估现有数学模型的准确度以及局限性，发展的测试技术是完善孔壁边界条件描述方法的有益尝试，对于指导国内跨声速风洞试验段孔壁设计，提高风洞试验数据质量，服务高性能飞行器设计等均具有一定的促进作用。