跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

朱博¹(), 廖达雄¹^,², 陈振华¹, 陈吉明¹^,²

^1.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，绵阳 621000
^2.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳 621000

收稿日期:2021-09-14 修回日期:2021-11-04 接受日期:2021-11-17 出版日期:2021-11-23 发布日期:2021-11-23
通讯作者: 朱博 E-mail:bobjou@139.com
基金资助:
空气动力学国家重点实验室基金(JBKY15040501)

Fine measurement for fluctuation mode and turbulence level in transonic flow

Bo ZHU¹(), Daxiong LIAO¹^,², Zhenhua CHEN¹, Jiming CHEN¹^,²

^1.Facility Design and Instrumentation Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2021-09-14 Revised:2021-11-04 Accepted:2021-11-17 Online:2021-11-23 Published:2021-11-23
Contact: Bo ZHU E-mail:bobjou@139.com
Supported by:
State Key Laboratory of Aerodynamics Foundation(JBKY15040501)

摘要/Abstract

摘要：

开展了跨声速风洞可压流场扰动模态与湍流度精细测量研究，以满足高速飞行器的低湍流试验需求。基于变热线过热比测量方法，在理论上推导了跨声速流场扰动的一般模态和3种特殊模态特征方程（涡模态、熵模态和声模态），以及扰动模态对应的特征曲线，以此为基础，通过试验获得了流场一般模态、涡模态、声模态扰动图和较高精度的湍流度值，通过扰动图频域分析了马赫数1.50的流场声模态扰动机理，建立了一种跨声速可压流场扰动模态分析与低湍流度测量方法。在新型连续式跨声速风洞完成马赫数0.20~1.50流场测量试验，测得湍流度为0.037%~0.197%，数据非线性拟合优度为0.943~0.995，蒙特卡洛模拟不确定度为0.000 2%~0.004 1%。研究结果证明了所建立的可压流场扰动模态与低湍流度测量方法的有效性，对高性能跨声速风洞的流场评估、优化和飞行器低湍流试验有实际意义。

关键词: 可压缩流, 扰动模态, 湍流度, 热线风速仪, 跨声速风洞, 连续式风洞

Abstract:

Fine measurement for the compressible flow fluctuation mode and turbulence level in transonic wind tunnels is studied to satisfy the need of low turbulence flow tests for high speed aircraft. Based on the measurement of varying hot wire overheat ratio， we derive the functions of the general mode and three special modes including the vorticity mode， the entropy mode and the acoustic mode for transonic flow fluctuations. An experiment is then conducted based on this method， obtaining fluctuation diagrams of the general mode， the vorticity mode， and the acoustic mode， calculating a high accuracy turbulence level， adopting fluctuation diagram analysis in frequency domain to rationalize the flow mechanism at Ma 1.50， and building a measurement method for the fluctuation mode and the low turbulence level. When the Mach number varies from 0.20 to 1.50 in the new type continuous transonic wind tunnel， the turbulence level is around 0.037%-0.197%， with the nonlinear function fitness goodness of data around 0.943-0.995 and the Monte Carlo simulation uncertainty around 0.000 2%-0.004 1%. Results show the effectiveness of the measurement method for the fluctuation mode and low turbulence level， exhibiting practical value for flow field quality evaluation and optimization， and low turbulence test of high speed aircraft in high-performance transonic wind tunnels.

Key words: compressible flow, fluctuation mode, turbulence level, hot wire anemometer, transonic wind tunnel, continuous wind tunnel

中图分类号:

V211.7

朱博, 廖达雄, 陈振华, 陈吉明. 跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126378-126378.

Bo ZHU, Daxiong LIAO, Zhenhua CHEN, Jiming CHEN. Fine measurement for fluctuation mode and turbulence level in transonic flow[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 126378-126378.

图/表 12

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 1

流场参数测量结果

试验段Ma	流量脉动<m>/%	温度脉动 <T₀>/%	相关系数 $R m T 0$	非线性方程拟合优度	湍流度 <u>/%	密度脉动 <ρ>/%	不确定度/%
0.20	0.059	0.021	0.508	0.943	0.058	0.001	0.000 9
0.30	0.074	0.021	0.455	0.988	0.071	0.003	0.000 4
0.40	0.074	0.034	1.617	0.987	0.070	0.005	0.001 2
0.50	0.051	0.034	0.057	0.961	0.047	0.005	0.001 6
0.60	0.046	0.033	0.065	0.975	0.041	0.006	0.000 7
0.70	0.065	0.046	0.732	0.981	0.054	0.011	0.000 3
0.80	0.134	0.052	0.958	0.960	0.107	0.027	0.003 8
0.90	0.149	0.038	0.892	0.980	0.112	0.037	0.000 6
0.95	0.264	0.082	0.846	0.951	0.193	0.070	0.002 3
1.00	0.118	0.042	0.705	0.975	0.084	0.034	0.001 1
1.05	0.053	0.027	0.056	0.984	0.037	0.016	0.000 9
1.10	0.068	0.046	0.289	0.992	0.046	0.022	0.000 2
1.15	0.071	0.038	0.168	0.987	0.046	0.024	0.000 7
1.20	0.117	0.035	0.081	0.982	0.074	0.043	0.000 9
1.30	0.183	0.058	0.411	0.987	0.109	0.074	0.000 9
1.40	0.295	0.130	0.579	0.952	0.165	0.130	0.004 1
1.50	0.375	0.076	0.050	0.995	0.197	0.178	0.000 6

表 1

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

参考文献 22

1	伍贻兆，杨岞生. 跨声速空气动力学［M］. 北京：国防工业出版社， 2004.
	WU Y Z， YANG Z S. Theory of transonic aerodynamics［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2004 （in Chinese）.
2	刘政崇，廖达雄，董谊信，等. 高低速风洞气动与结构设计［M］. 北京：国防工业出版社， 2003.
	LIU Z C， LIAO D X， DONG Y X， et al. Aerodynamic design and structure design of wind tunnel［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2003 （in Chinese）.
3	何克敏，白存儒，郭渠渝，等. 较低湍流度范围湍流度对风洞实验结果的影响［J］. 流体力学实验与测量， 1997， 11（3）： 11-17.
	HE K M， BAI C R， GUO Q Y， et al. The effect of turbulence on wind tunnel results in the range of low turbulence［J］. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics， 1997， 11（3）： 11-17 （in Chinese）.
4	李峰，白存儒，周伟，等. 湍流度对飞行器模型大迎角气动特性影响的初步研究［J］. 实验流体力学， 2006， 20（3）： 45-47， 52.
	LI F， BAI C R， ZHOU W， et al. Primal research of the effect of flow turbulence on aerodynamic characteristics of a aircraft model at high angles of attack［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2006， 20（3）： 45-47， 52 （in Chinese）.
5	陈吉明，吴盛豪，陈振华，等. 连续式跨声速风洞回路吸声降噪技术试验研究［J］. 西北工业大学学报， 2020， 38（4）： 855-861.
	CHEN J M， WU S H， CHEN Z H， et al. Experimental research on noise reduction for continuous transonic wind tunnel loop［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2020， 38（4）： 855-861 （in Chinese）.
6	朱博，汤更生. 声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究［J］. 实验流体力学， 2015， 29（4）： 58-64.
	ZHU B， TANG G S. Low turbulence intensity and spectrum measurement research in aeroacoustic wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2015， 29（4）： 58-64 （in Chinese）.
7	廖达雄，陈吉明，彭强，等. 连续式跨声速风洞设计关键技术［J］. 实验流体力学， 2011， 25（4）： 74-78.
	LIAO D X， CHEN J M， PENG Q， et al. Key design techniques of the low noise continuous transonic wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2011， 25（4）： 74-78 （in Chinese）.
8	杜钰锋，林俊，王勋年，等. 变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化［J］. 航空学报， 2019， 40（12）： 123067.
	DU Y F， LIN J， WANG X N， et al. Measurement technique optimization of turbulence level in compressible fluid by changing overheat ratio of hot wire anemometer［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（12）： 123067 （in Chinese）.
9	袁湘江，沙心国，时晓天，等. 高超声速流动中噪声与湍流度的关系［J］. 航空学报， 2020， 41（11）： 123791.
	YUAN X J， SHA X G， SHI X T， et al. Noise-turbulence relationship in hypersonic flow［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（11）： 123791 （in Chinese）.
10	KOVASZNAY L S G. The hot-wire anemometer in supersonic flow［J］. Journal of the Aeronautical Sciences， 1950， 17（9）： 565-572.
11	MORKOVIN M V. On transition experiments at moderate supersonic speeds［J］. Journal of the Aeronautical Sciences， 1957， 24（7）： 480-486.
12	HORSTMAN C C， ROSE W S. Hot-wire anemometry in transonic flow［J］. AIAA Journal， 1977， 15（3）： 395-401.
13	STAINBACK P， JOHNSON C， BASNETT C. Preliminary measurements of velocity， density and total temperature fluctuations in compressible subsonic flow： AIAA-1983-384［R］. Reston： AIAA， 1983.
14	KING R A， ANDINO M Y， MELTON L， et al. Flow disturbance measurements in the national transonic facility［J］. AIAA Journal， 2014， 52（1）： 116-130.
15	BAUINGER S， BEHRE S， LENGANI D， et al. On turbulence measurements and analyses in a two-stage two-spool turbine rig［J］. Journal of Turbomachinery， 2017， 139（7）： 071008.
16	LAU J， MORRIS P， FISHER M. Turbulence measurements in subsonic and supersonic jets using a laser velocimeter： AIAA-1976-0348［R］. Reston： AIAA， 1976.
17	LOCK J A， SEASHOLTZ R G， JOHN W T. Rayleigh-Brillouin scattering to determine one-dimensional temperature and number density profiles of a gas flow field［J］. Applied Optics， 1992， 31（15）： 2839-2848.
18	CHEN L， YANG F R， SU T， et al. High sampling-rate measurement of turbulence velocity fluctuations in Mach 1.8 Laval jet using interferometric Rayleigh scattering［J］. Chinese Physics B， 2017， 26（2）： 025205.
19	恽起麟，赵长安. 跨超声速气流湍流度的测量［J］. 气动实验与测量控制， 1987， 1（3）： 21-26.
	YUN Q L， ZHAO C A. Transonic flow turbulence intensity measurement ［J］. Aerodynamic Experiment and Measurement & Control， 1987， 1（3）： 21-26 （in Chinese）.
20	马护生，时培杰，李学臣，等. 可压缩流体热线探针校准方法研究［J］. 空气动力学学报， 2019， 37（1）： 55-60.
	MA H S， SHI P J， LI X C， et al. Investigation of calibration method for hot-wire probe in compressible flow［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2019， 37（1）： 55-60 （in Chinese）.
21	杜钰锋，林俊，马护生，等. 可压缩流湍流度变热线过热比测量方法［J］. 航空学报， 2017， 38（11）： 121236.
	DU Y F， LIN J， MA H S， et al. Measurement technique for turbulence level in compressible fluid by changing overheat ratio of hot-wire［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（11）： 121236 （in Chinese）.
22	JANSSEN J M L， ENSING L， VANERP J B. A constant-temperature-operation hot-wire anemometer［J］. Proceedings of the IRE， 1959， 47（4）： 555-567.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	杜钰锋, 林俊, 王勋年, 熊能. 亚声速风洞可压缩流体扰动模态分析[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 124424-124424.
[2]	程泽鹏, 邱思逸, 向阳, 邵纯, 张淼, 刘洪. 基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 123751-123751.
[3]	袁湘江, 沙心国, 时晓天, 高军. 高超声速流动中噪声与湍流度的关系[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 123791-123791.
[4]	李超群, 李易, 张晨曦, 唐硕. 沿流向微结构沟槽流场直接数值模拟[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 123628-123628.
[5]	邱思逸, 程泽鹏, 向阳, 刘洪. 基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制[J]. 航空学报, 2019, 40(8): 122712-122712.
[6]	刘光远, 张林, 陈德华, 林学东, 贾智亮. 跨声速风洞斜孔壁非线性流动试验[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 122497-122497.
[7]	杜钰锋, 林俊, 王勋年, 熊能. 变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化[J]. 航空学报, 2019, 40(12): 123067-123067.
[8]	刘景源. 对流传热场协同原理在高速可压缩边界层流动中的推广[J]. 航空学报, 2018, 39(1): 121429-121429.
[9]	杜钰锋, 林俊, 马护生, 梁锦敏. 可压缩流体恒温热线风速仪校准方法[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 120600-120600.
[10]	杜钰锋, 林俊, 马护生, 熊能. 可压缩流湍流度变热线过热比测量方法[J]. 航空学报, 2017, 38(11): 121236-121236.
[11]	邹东阳, 刘君, 邹丽. 可压缩流动激波装配在格心型有限体积法中的应用[J]. 航空学报, 2017, 38(11): 121363-121363.
[12]	崔晓春, 孟凡民, 李庆利, 张刃, 李兴龙. 跨声速风洞调节片式二喉道中心体构型初步研究[J]. 航空学报, 2017, 38(11): 121327-121327.
[13]	鞠炼, 白俊强, 郭斌, 崔晓春, 李兴龙. 槽壁几何参数对跨声速风洞流场品质的影响[J]. 航空学报, 2016, 37(5): 1440-1453.
[14]	刘光远, 王瑞波, 郭秋亭, 魏志, 谢疆宇. 2.4 m跨声速风洞壁板参数对核心流均匀性的影响[J]. 航空学报, 2015, 36(9): 2930-2938.
[15]	吴子牛, 白晨媛, 徐珊姝, 李娟, 林景, 陈梓钧, 姚瑶. 突然启动流动问题:从不可压到高超声速流动[J]. 航空学报, 2015, 36(8): 2588-2600.

跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

Fine measurement for fluctuation mode and turbulence level in transonic flow

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 22

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价