实验方法
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内容提要
本文介绍了美国国家航天局(NASA)通用研究模型(CRM)的实验方法,包括模型设计参数、测试配置及所使用的风洞设施。文中详细说明了艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的11英尺跨音速风洞、兰利国家跨音速设施(NTF)以及欧洲跨音速风洞(ETW)的测试能力与技术特点。

原文全文译文

本网站目前正在建设中。

请参阅完整的美国国家航天局(NASA)通用研究模型(Common Research Model, CRM)网站以获取最新信息。

实验方法

项目的实验方法涉及多个要素,包括所使用的设施、模型本身、测试模型时的测试条件,以及应用于数据的修正。

相关文件与数据

NASA通用研究模型(CRM)由一个现代化的超临界跨音速机翼和一个代表宽体商用运输机的机身组成。CRM的设计巡航马赫数(Mach number)为 M∞ = 0.85,相应的额定升力系数为 CL= 0.5。

其纵横比(aspect ratio)为 9.0,前导边缘(leading edge)后掠角为 35 度,机翼参考面积(S)为 3.011 平方英尺,翼展(b)为 62.47 英寸,平均空气动力弦长(c)为 7.447 英寸。模型力矩参考中心位于 MS=35.799 英寸和壁宿(Wall)=4.805 英寸处。本次测试所使用的短舱为简单的直通式短舱。

压力分布通过位于 9 个展向机翼站位(η = 0.131, 0.201, 0.283, 0.397, 0.502, 0.603, 0.727, 0.846, 和 0.950)的 291 个压力孔,以及左侧短舱上 6 个径向站位(η = 30º, 90º, 150º, 210º, 270º, 和 330º)的 6 个压力孔在左右机翼上进行测量。所有压力测量均使用安装在机身前部的电子扫描压力(ESP)模块进行。根据 ESP 模块制造商提供的精度,表面压力测量误差应不超过 +/- 0.015 psi。这相应地意味着 Cp 值的变化不超过 +/- 0.0026。该模型使用叶片支杆装置安装在风洞中。

本次调查测试了五种不同的配置:仅机翼/机身(WB)、机翼/机身/挂架/短舱(WBPN)、机翼/机身/尾宿(Tail)=0°(WBT0)、机翼/机身/尾宿=+2°(WBT+2)以及机翼/机身/尾宿=-2°(WBT-2)。

艾姆斯(Ames)11英尺风洞

11 x 11 英尺跨音速风洞(11-Foot TWT)设施是位于加利福尼亚州莫菲特场(Moffett Field)的美国国家航天局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)统一计划风洞(UPWT)综合体的一部分,几代商用和军用飞机以及包括航天飞机(space shuttle)在内的美国国家航天局航天器(space vehicle)都在此进行过设计和测试。

11英尺跨音速风洞是一个闭路回流、变密度风洞,具有固定几何形状、通风的测试段以及柔性壁喷管。它是共用驱动系统驱动的三个独立测试段之一。由四台绕线转子变频感应电机驱动的三级轴流压缩机产生气流。UPWT 测试段之间模型的互换性允许在广泛的条件下进行测试。

自 20 世纪 60 年代以来,11英尺跨音速风洞在几乎所有国内生产的商用运输机和军用固定翼机身的开发中都发挥了重要作用。该设施广泛用于机身测试和空气动力学研究,并在每一次载人航天(space flight)计划中发挥了至关重要的作用,包括美国国家航天局的新型猎户座(Orion)太空舱,宇航员将乘坐该舱前往国际空间站(International Space Station)、月球(Moon)及更远的地方。

兰利国家跨音速设施

作为世界上最大的加压低温风洞,国家跨音速设施(NTF)拥有复制实际飞行条件的独特能力。NTF 支持先进空气动力学概念的开发与评估、先进计算流体动力学(fluid dynamics)工具的验证,以及飞行器开发的风险降低。

NTF 提供世界上最高的跨音速雷诺数测试能力,并可使用环境温度(ambient temperature)下的常规空气作为测试气体,或使用温度低至 -250 ºF 的气态氮(由注入液氮(liquid nitrogen)膨胀而来)以达到飞行测试条件。凭借多种可定制的仪器和测量技术,该设施支持全展幅和半展幅模型测试。

该设施具有根据模型尺寸调整测试条件的独特能力。对总温度、压力和风扇转速的独立控制,允许隔离和研究纯压缩性(马赫)效应、粘性(雷诺数)效应和气动弹性(动压)效应。压力壳内部经过热绝缘处理以确保最低的热耗(heat loss),并通过可变入口驱动系统实现响应迅速的马赫数控制。

我们专业的 GFTD 测试团队为众多知名客户提供支持,包括大型商用飞机制造商、领先的通用航空企业以及美国国家航天局的航天飞机计划。

NTF 的几何结构可在此处获取。

欧洲跨音速风洞

欧洲跨音速风洞(ETW)与国家跨音速设施类似,是一个加压低温、闭路、连续流、风扇驱动的风洞。它可以在闭口和开槽壁配置下运行,用于测试从马赫数 0.15 到 M∞=1.35 的轻度超音速条件下的全模型和半模型。纯净的高质量氮气是唯一的测试气体。独立改变气体温度、压力和速度的能力允许进行纯雷诺数和/或气动弹性研究。测试段尺寸为宽 7.87 英尺(2.4 米)、高 6.56 英尺(2 米)和长约 30 英尺(9 米)。通过广角扩散器中的 2 个填充筛网,结合流场整流器(蜂窝状)和 2 个防湍流(turbulent flow)筛网,随后是固定收缩段和用于超音速运行的柔性喷管,提供了高质量的流场。此外,该风洞在再入段下游设有第二个喉道,防止高速扩散器中最终产生的流场扰动向上游传播到测试段中。

ETW 的运行范围涵盖了 110kPa 至 450kPa 的压力和 313K 至 110K 的温度,使得在马赫数(Mach number)约为 0.85 时,全尺寸模型可达到 5000 万的最大雷诺数,半展模型可达到 9000 万。虽然风洞壳体内部进行了隔热处理以防止热耗(heat loss),但风扇产生的热量通过注入液氮(liquid nitrogen)的蒸发来补偿,液氮被喷射到压缩机上游的风洞中。有关该设施及其运行的更多详细信息,请访问 www.etw.de。

ONERA S1MA 大型跨音速大气风洞

有关在 ONERA S1MA 风洞中进行的通用研究模型(Common Research Model, CRM)测试的信息和结果可在此处找到。

艾姆斯研究中心(Ames Research Center)11 英尺风洞

下载一份最终的艾姆斯 11 英尺运行日志 CRM Ames Test 216 Run Log

下载一份艾姆斯 11 英尺变量名称 AmesT216VarNames

这项历时 5 周的调查提供了力与力矩、表面压力以及表面流场可视化数据。测试是在 500 万的弦长雷诺数下进行的。数据是在约 100º F 的温度下采集的。

所有呈现的数据均在 0.7 至 0.87 的自由流马赫数范围内获得。数据通常是在 500 万弦长雷诺数下,于 -3° 至 +12° 的迎角范围内获得的。进行了流向角测量,并对最终数据应用了 0.013° 至 0.067° 的上洗修正。根据别处提出的方法,应用了考虑风洞浮力和升力干扰的经典壁宿(Wall)修正。

在艾姆斯 11 英尺风洞测试时,模型上的转捩也被固定。不过,对于本次调查,仅使用了乙烯基粘合剂转捩点(trip dots)。这些转捩点直径为 0.05 英寸,间距为 0.1 英寸。对于 500 万的弦长雷诺数,从机身侧面(SOB)到机翼折点(yehudi break)使用了 0.0035 英寸高的转捩点,从机翼折点到中翼使用了 0.003 英寸,从中翼到翼尖使用了 0.003 英寸。这些转捩点安装在 10% 弦长处。乙烯基粘合剂转捩点也被应用于机身头部,并在整个测试过程中保留。当短舱安装在模型上时,转捩点位于外表面和内表面前导边缘(leading edge)后方 0.43 英寸处。最后,当尾宿(Tail)安装在模型上时,转捩点位于 10% 弦长处,尺寸为 0.003 英寸。

兰利国家跨音速设施(Langley National Transonic Facility, NTF)

下载一份 NTF 最终运行日志 CRM NTF Test 197 Run Log

下载 NTF 变量名称定义 NTFT197VarNames.v2。此文件最后更新于 2014 年 10 月 23 日。请丢弃在此日期之前从本网站下载的任何 NTF Test 197 变量名称文件。

来自 NTF Test 197 的力与力矩数据已于 2014 年 10 月 23 日更新。请丢弃在此日期之前从本网站下载的任何 NTF Test 197 力与力矩数据。

这项历时 6 周的调查提供了力与力矩、表面压力、模型变形以及表面流场可视化数据。测试是在 500 万、1980 万和 3000 万雷诺数下进行的。本文中呈现的所有雷诺数值均基于平均空气动力弦长。采集 500 万和 1980 万雷诺数的数据是为了与先前计算的 CFD 结果进行比较,所有雷诺数均用于评估雷诺数效应。1980 万雷诺数的数据是在两种不同的 q∞ 水平下采集的——即高 q∞ 和低 q∞ 条件。在相同的雷诺数下拥有两个 q∞ 水平,为数据提供了气动弹性阶跃。数据是在 -250ºF 至 120ºF 的温度范围内采集的。

数据通常是在 500 万雷诺数下,于 -3° 至 +12° 的迎角范围内获得;在 1980 万和 3000 万雷诺数下,于 -3° 至 +6° 的迎角范围内获得。在较高雷诺数下减小迎角范围是必要的,以确保不超过安全模型应力水平。进行了流向角测量,并对最终的 NTF 数据应用了 0.092° 至 0.173° 的上洗修正。应用了考虑模型阻塞、尾流阻塞、风洞浮力和升力干扰的经典壁宿修正。

为了确保从层流到湍流(turbulent flow)的转捩一致且可重复,并支持将风洞数据用于 CFD 验证目的的目标,应用一种经过验证且可靠的方法来固定模型上的转捩非常重要。本次调查使用了直径为 0.05 英寸、间距(中心到中心)为 0.1 英寸的 Evercoat 转捩点。对于 500 万的弦长雷诺数,从机身侧面到机翼折点使用了 0.0035 英寸高的转捩点,从机翼折点到中翼使用了 0.003 英寸,从中翼到翼尖使用了 0.003 英寸。这些转捩点安装在 10% 弦长处。高度为 0.004 英寸的乙烯基粘合剂转捩点被应用于机身头部,并在整个测试过程中保留。当短舱安装在模型上时,高度为 0.003 英寸的转捩点位于外表面和内表面前导边缘后方 0.43 英寸处。最后,当尾宿安装在模型上时,转捩点位于 10% 弦长处,高度为 0.003 英寸。

欧洲跨音速风洞(European Transonic Wind Tunnel, ETW)

由于本次调查由欧盟委员会作为ESWIRP项目的一部分资助,可用预算仅允许在有限的条件下进行测试。ETW为期5天的测试计划是基于欧洲项目组(由法国ONERA的J.L. Goddard主持)的测试需求与NTF中CRM模型既定测试条件之间的折中方案。该项目组主要致力于获取用于非定常尾流流体动力学(CFD)验证的数据。此外,还增加了一些极低雷诺数下的极曲线,旨在为日本航天局(JAXA)提供对比空气动力学数据,该机构此前已在其跨音速风洞中测试了CRM的缩比版本。

为实现项目的科学目标,本次活动中启用了新集成的测量功能:用于尾流分析的非定常粒子图像测速(PIV),以及结合了升级版高速大容量数据采集(data acquisition)系统的非定常平衡信号记录,并进行了非定常和定常模型变形测量。本文仅展示了力、力矩和机翼压力分布等空气动力学数据,以及机翼变形情况。尽管在12个不同的马赫数(Mach number,范围从0.25到0.87)下获取了数据,但大部分工作集中在M=0.7和模型设计马赫数0.85上。因此,为了进行预期的结果对比,NTF在这两个马赫数下的参考测试条件均经过了仔细设置和控制。为覆盖500万、1980万和3000万的相关雷诺数,风洞温度在302 K至117 K之间变化,并结合了200至300 kPa之间的相应压力。NTF和ETW的运行包线不允许在相同的q/E值下达到最小和最大雷诺数。因此,决定在较低和较高的q/E值下重复1980万雷诺数的测试,从而允许针对不同气动弹性效应下的模型变形评估进行额外对比。通过在模型处于正置和倒置位置时进行升力极曲线测试,测得全运行范围内的上洗流为0.010至0.015度。测量数据还根据过去建立的ETW实验评估结果进行了壁面干扰修正。模型迎角测量始终受到极度重视。在开始测试活动之前,即使在施加负载的情况下,也会检查模型内部相关倾角仪的电气偏移和不对中情况。此外,在应用通常用于500万弦长雷诺数测试的转捩带时也给予了特别关注。与NTF专家密切合作开展此项工作,最大限度地降低了因这一敏感项目导致后续结果不匹配的风险。

在NTF和ETW等设施投入使用之前,工程师们确信风洞模型具有刚性,不会受到空气动力载荷(特别是在增压设施中)产生的显著变形影响。利用这些风洞在不同压力或更好的q/E水平下建立相同雷诺数的独特能力,证明了事实恰恰相反。如今,在所有与CFD结果的对比中,对载荷下机翼形状的正确评估已成为强制性要求。从最初使用莫尔条纹(Moirée)工具开发适当的测量系统开始,ETW目前可并行运行4个系统,例如用于监测半模型主翼及所有高升力组件的形状。立体模式跟踪(SPT)系统能够监测粘贴在机翼下表面标记的空间位移。在本文报告的测试活动中,一个系统以58帧/秒的速度观测主翼,而第二个系统则以386帧/秒的速度监测非定常水平尾翼(HTP)的运动。

NTF和Ames 11英尺风洞均使用跨音速壁面干扰修正系统(TWICS),以提供由于测试段边界存在而产生的阻塞和迎角修正。TWICS及其前身壁面干扰修正系统(WICS)是由美国国家航天局(NASA)艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的Ulbrich等人作为Hackett壁面特征方法的修改和扩展而开发的。TWICS是WICS的增强版本,可处理跨音速风洞中常见的通风边界条件。该方法被选择在NTF上实施(参见Iyer等人),旨在标准化各美国国家航天局中心之间的壁面干扰修正方法。TWICS基于一种带有普朗特-格劳厄特(Prandtl-Glauert)可压缩性模型的线性化势流方法,该方法固有地假设在测试件近场区域与壁面近场区域之间的测试段中,存在一部分流场是空测试段流场的线性扰动。

该方法使用扣除皮重后的壁面压力特征,即模型安装状态与空测试段之间的差值,以及一个归一化扰动速度数据库,该数据库使用针对给定壁面边界条件数学表示计算出的单位奇点解,并结合测试件的几何信息。对壁面压力特征进行扣除是为了消除空风洞边界层(boundary layer)和浮力的一阶效应,假设其仅包含固体和尾流阻塞,并假设由于测试件存在而导致的测试段壁面边界层位移厚度的二阶附加变化可忽略不计——这一假设在马赫数(Mach number)接近1时会被破坏,因为此时横流的各个方面更为关键。测试件使用适当加权的偶极子链进行建模,以表示机身、尾流和支承系统(support system)。通常沿升力面四分之一弦长分布的线偶极子被用于模拟升力的影响。线偶极子的强度由天平测得的升力确定。从这些奇点产生的壁面特征中减去扣除皮重后的壁面特征,仅留下阻塞特征。该剩余特征用于确定固体和尾流阻塞奇点的强度。

尽管两个设施都使用TWICS,但实现方式并不相同。差异在于壁面边界条件的制定和应用方式。Ulbrich对艾姆斯11英尺风洞的挡板开槽(即多孔)壁面边界条件进行了校准和验证。Walker对NTF中的纵向开槽壁面边界条件进行了校准和验证。艾姆斯11英尺风洞使用离散壁面公式,即在挡板槽中应用边界条件;而NTF使用均匀壁面公式,这更像是对通风壁面边界效应的平均表示。目前正在进行评估将NTF壁面边界条件建模为离散形式的影响的工作。预计将NTF改为离散公式可能会导致迎角修正量减小。本网站上提供的数据是使用各设施各自的TWICS实现进行修正的。

在艾姆斯11英尺风洞的测试期间,在机翼/机身、机翼/机身/尾宿(Tail)=0和机翼/机身/尾宿=+2的构型上获得了压力敏感漆(PSP)数据。在此页面上,您将找到这些PSP数据的摘要、PLOT3D格式的数据本身,以及获取数据的三种构型的网格。下面还提供了详细介绍此次测试期间PSP过程的论文链接:

机翼/机身构型数据

机翼/机身/尾宿=0构型

机翼/机身/尾宿=+2构型

迄今为止在CRM上进行的一些实验的最终运行日志包含了所有数据,以及描述数据文件中包含内容的页面。

艾姆斯最终运行日志可在此处获取:CRM Ames Test 216 Run Log。

NTF最终运行日志可在此处获取:

来自第一次NTF条目的完整力和力矩数据集位于此处:NTF197Data

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分类:航天任务

来源与许可

原文来自公共领域来源;译文由机器生成,请以原文为准。 原始页面