大型低速翼型风洞侧壁边界层控制系统研制

惠增宏，张传侠，柳 雯

（西北工业大学 翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室，西安 710072）

大型低速翼型风洞侧壁边界层控制系统研制

惠增宏，张传侠，柳 雯

（西北工业大学 翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室，西安 710072）

介绍了NF－3大型低速翼型风洞多喷嘴级联吹气侧壁边界层控制系统的结构和原理。为验证本系统的功能和性能，采用侧壁吹气方案并使用增量式PID控制算法进行气源压力的控制，对具有增升装置的GAW－1翼型进行了侧壁边界层吹除试验研究。试验结果表明：（1）使用侧壁吹气系统后翼型模型中间截面最大升力系数由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%，且模型端面截面的升力系数与中间截面的升力系数基本上相等；（2）利用增量式PID控制算法对气源压力的精确控制较好地完成了风洞侧壁吹气功能，改善了翼型表面流动，减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响。

翼型；风洞；侧壁边界层；控制系统；PID控制

0 引 言

翼型模型风洞试验不仅受洞壁干扰影响，也要受风洞侧壁边界层的影响。风洞试验段口径越小，侧壁边界层越厚，侧壁效应影响就越严重。这种影响主要表现在随着迎角增大，模型和侧壁相交处的边界层分离区会沿展向以约45°角向模型中间剖面扩展，影响翼型的绕流特性，致使翼型模型的升力系数降低，因此对风洞侧壁边界层进行适当控制是十分必要的。

侧壁边界层控制一般采用吹气和吸气两种方式。由于气体的可压缩性、阀的非线性以及负载容腔内压力变化的不均匀性等特点，都给侧壁边界层控制带来了困难。控制系统的性能直接决定能否进行侧壁吹气及吹气的稳定性，同时气压的精密控制也影响着试验的结果。运用输出增量式PID（Proportional－比例、Integral－积分、Derivative－微分）控制算法自动控制气源阀门的开度及流量，进而控制吹气缝出口吹气量的大小，在一定程度上减小了阀门的时滞性和非线性对控制结果的影响，为采用高压气源的精确控制提供了可能。

针对西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室NF－3大型低速翼型风洞（二维试验段高×宽×长＝3.0m×1.6m×8.0m，最大风速130m／s）研制了侧壁边界层吹气控制系统，并采用GAW－1翼型进行了试验验证。

1 系统结构及原理

侧壁边界层控制系统（如图1）主要包括吹气控制系统、上下转盘同步控制系统和密封系统3大部分。吹气控制系统是整个系统的核心，主要实现对气源压力和电气比例阀的精确控制，保证吹气的准确性和稳定性；上下转盘同步控制系统实现了上下转盘的同步旋转运动，避免了上下转盘不同步旋转运动对翼型造成的剪切应力；密封系统实现了吹风试验时转盘门与风洞之间的密封，防止了洞体内的气体泄漏。

图1 侧壁边界层控制系统原理图Fig.1 The function diagram of sidewall boundary layer control system

高压气源经截止阀和电动调节阀控制后，送入风洞二维试验段的稳压罐中。在稳压罐上开4路主干路气路，稳压后的气体经4个电气比例阀和气控比例阀控制后，分为8个支路，分别送到翼型侧壁前、中、后3组稳压盒中进行稳压，最后气流通过3组吹气缝对侧壁边界层进行吹除。为了避免翼型上下表面压力差造成不必要的串流，中缝稳压盒在中间隔断，分为上、下翼面吹气缝。

2 吹气控制系统

吹气控制系统包括气源压力控制系统和电气比例阀控制系统。

2.1 气源压力控制系统

气源压力控制系统选用日本SMC公司的气动元件组建，以满足吹气缝压力控制的需要。系统主要由稳压罐、电磁阀、大流量型空气过滤器、过滤减压阀、电气比例阀、气控比例阀、手动减压阀、压力传感器等硬件组成，其控制原理图如图2所示。其中：

（1）4个电磁阀（型号－VP3185V－20）安装于稳压罐4个出气口后，实现对干路压缩气体的通断控制。

（2）4个气控比例阀（型号－VEX1900－20）安装于干路电磁阀后端，这种阀门属于大流量精密减压阀，其受压部分使用平衡座阀式阀芯，可以得到很大的输出流量和溢流流量。

（3）4个电气比例阀（型号－ITV2050－312S）控制气控比例阀实现对干路压缩气体的比例控制。

（4）压力传感器安装于吹气支路的末端，实现对支路气体压力的测量，并将压力信息传递给计算机，以便使计算机对输出压力进行实时监控。

图2 气源压力控制系统原理图Fig.2 The function diagram of pneumatic pressure control system

2.2 电气比例阀控制系统

电气比例阀控制系统由主控计算机、D／A模块、电气比例阀、压力传感器、多通道显示控制器等元器件组成，其控制原理图如图3。

图3 电气比例阀控制系统原理图Fig.3 The function diagram of electro－pneumatic proportional pressure valve control system

给定控制系统一输入，主控计算机根据传感器测得的吹气缝出口压力，经过控制算法运算，得到一个输出控制增量，经D／A模块转换后作用在电气比例阀上。比例阀根据信号压力的大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，从而达到调节气流流量的目的，实现闭环控制，以满足吹气缝吹气的需要。

增量式PID控制算法具有误动作时影响小，手动／自动切换时冲击小，容易通过加权处理而获得比较好的控制效果等优点；另外结合电气比例阀利用输入增量来执行阀门开度的特性，故NF－3风洞电气比例阀控制系统选择了增量式PID控制算法。

电气比例阀最高使用压力1.0MPa，最低使用压力0.05MPa；工作过程中，线性度保持在±1%FS（相对满量程误差）以内，迟滞0.5%FS，重复精度优于±0.5%FS。

2.3 控制模型

根据NF－3风洞的具体结构，将两个转盘门分别安装在风洞的顶部和底部，转盘门采用蜗轮蜗杆传动形式实现其旋转运动，其角行程分别为±180°，旋转角速度为1°／s＜ω＜2°／s，上下转盘门同步精度优于±3′。本系统设计了3组吹气缝（如图4），并采用吹气缝与转盘门分离的结构形式，这样可以更换不同的吹气缝，以满足不同试验的需要。

图4 吹气缝位置示意图Fig.4 The location of blowing slot

在机械结构满足要求的情况下，上下转盘同步控制系统以工业控制计算机作为主控计算机，通过开关量输入输出模块对转盘门上的各种开关状态量及开关控制量（正负限位，零位等）进行控制或监测，实现人机之间的交互及运动控制工作。由用户输入控制量发给控制系统中的主控计算机，主控计算机生成可执行的命令，经D／A模块转换后控制交流伺服电机驱动器驱动电机。交流伺服电机可通过反馈系统与主控计算机实时通讯，实现转盘门的旋转运动。由于交流伺服电机具有定位精度高、可自锁等优点，进一步提高了系统的控制精度。

根据气体压力控制系统的输入输出特性，可以用简化的一阶模型来代替复杂的三阶模型，简化的一阶模型可用如下一阶加滞后传递函数模型来近似，即

式中：τ为等效纯滞后时间；TS为等效时间常数；K为静态增益。

电气比例阀为一种气动执行机构，它接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节机构动作。根据调节阀的静态特性和动态特性，这个被控对象优化后的传递函数经过辨识可以表示为：

模型试验使用具有608路高精度、高速稳态压力测量系统（PSI9816）对翼型弦向和展向不同位置的表面测压点和尾耙总压进行实时采集。该系统精度优于0.05%FS，采集速度大于100采样点／秒／通道。

3 试验结果与分析

对带有增升装置的GAW－1模型进行了吹风试验，以验证NF－3风洞侧壁边界层控制系统的功能和性能。由于侧壁边界层吹气控制主要影响模型表面流场，考虑到吹气系数（λ＝qj／q，其中λ为吹气系数，qj为吹气缝出口动压，q为试验段自由流动压）直接反映吹气控制系统的性能，在此主要分析在不同吹气系数下模型的升力特性，特别是失速迎角附近的升力特性。图5给出了襟翼偏角δf＝30°、风速V＝10m／s、不同吹气系数下翼型升力特性对比曲线。图6给出了在此状态下最大升力系数随吹气系数的变化曲线。可以看出，在相同的襟翼偏角和风速下，随着吹气系数逐渐增大，翼型升力系数增加。当吹气系数达到一定程度（λ＝10），升力系数不再增加，反而有降低的趋势（λ＝15），最大升力系数明显降低，同时失速迎角提前；当吹气系数继续增加（λ＝20），升力系数突然增加，而最大升力系数继续降低，失速迎角继续提前。说明吹气系数过大造成吹气缝气流对风洞气流产生扰动，致使翼型表面的流动更加复杂，故λ＝10为这一状态下的最佳吹气系数，即控制系统的最佳增益。

图5 GAW－1翼型不同吹气系数升力特性对比试验曲线（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.5 Comparison of CLamong different blowing coefficients on GAW－1

图6 GAW－1翼型最大升力系数随吹气系数变化试验曲线（δf＝30°，V＝10m／s）Fig.6 Variation of CLmaxwith blowing coefficient on GAW－1

为了研究展向流动情况，分别在GAW－1模型翼展中间剖面和靠近洞壁80mm剖面各开了118和66个测压孔，各测压孔由紫铜管通过转轴引出模型，连接到PSI9816压力测量系统对应的传感器上。图7给出了襟翼偏角δf＝30°、迎角α＝10°、风速V＝10m／s、不同吹气系数下翼型中间截面的压力分布对比曲线，可以看出，吹气系数（λ＝20）时主翼上表面的负压明显大于不吹气状态，而且翼型前缘吸力峰值增大，说明侧壁吹气改善了翼型表面的二元流动，推迟了边界层的分离。图8给出了襟翼偏角δf＝20°、风速V＝15m／s、不同吹气系数、不同截面下的升力特性对比曲线。从图8中可以看出，在不进行侧壁吹气的情况下，中间截面的升力系数大于端面截面；在相同的吹气系数（λ＝13）、相同的风速（V＝15m／s）条件下，端面截面和中间截面的升力系数有了不同程度的增加，靠近吹气缝的端面截面增加幅度高于中间截面，而且端面截面升力系数已经基本等于中间截面，说明侧壁吹气产生了明显的效果。经过侧壁吹气，中间截面最大升力系数由2.79增加到2.84，增加幅度1.8%；端面截面由2.72增加到2.85，增加幅度4.7%。

图7 GAW－1翼型不同吹气系数下压力分布对比试验曲线（δf＝30°，α＝10°，V＝10m／s）Fig.7 Comparison of Cpbetween different blowing coefficients on GAW－1

图8 GAW－1翼型不同吹气系数、截面时升力特性对比试验曲线（δf＝20°，V＝15m／s）Fig.8 Comparison of CLbetween different blowing coefficients and sections on GAW－1

试验表明，通过吹风试验能够寻找到翼型模型不同状态下的最佳吹气系数，即侧壁边界层控制系统最佳增益，但是吹气系数过大也会使翼型表面流动趋于复杂化；翼型模型端面截面的升力系数基本上接近模型中间截面的升力系数，说明采用侧壁吹气方案改善了翼型表面流动，减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响，提高了翼型的升力系数，尤其在失速迎角附近效果显著，这与文献［4］中稳定吹气状态下的结论一致。

4 结 论

（1）利用增量式PID控制算法实现对侧壁边界层控制系统中不确定因素进行在线补偿，气源压力控制的精确度得到改善，提高了侧壁吹气的准确性和稳定性；

（2）经过试验验证侧壁吹气改善了翼型表面流动，减小了侧壁边界层对翼型试验结果的影响，说明本系统能够较好的完成风洞侧壁吹气功能，取得了良好的效果。

另外，通过对风洞侧壁边界层控制系统的研究发现，在今后的工作中可以在以下3方面做进一步探讨：

（1）基于现代控制理论，运用不同的控制算法进行不断优化，比较各种控制优化算法的控制效果以及对模型气动性能的影响；

（2）研究侧壁边界层控制系统各支路单独控制与集群控制的效果，寻找多种控制方案的最佳增益；

（3）通过试验确定消除或近似消除风洞侧壁边界层影响的判定准则，进而优化侧壁边界层控制系统，使其能够根据试验状态自动调整吹气量并获得最佳吹气系数。

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惠增宏（1969－），男，陕西富平县人，高级工程师，博士。研究方向：流体力学测量与控制。通讯地址：陕西省西安市西北工业大学111信箱 （710072），联 系 电 话：029－88493775转6201，13572282305，E－mail：huizh＠nwpu.edu.cn

The development of sidewall boundary layer control system for large airfoil low－speed wind tunnel

HUI Zeng－hong，ZHANG Chuan－xia，LIU Wen
（National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

This paper describes the structure and the application of multi－injector blowing sidewall boundary layer control system for NF－3large airfoil low－speed wind tunnel.The sidewall boundary layer blowing experimental investigation of GAW－1airfoil with high lift device by using the method of sidewall blowing and applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure is carried out for testing the function and performance of the system.The results show that the highest lift coefficient increases by 1.8%from 2.79to 2.84on the middle section of the airfoil，and the lift coefficient of the edge section is basically equal to the middle section.It shows that the system applying incremental PID control algorithm to control the pneumatic pressure accurately has achieved the function of wind tunnel sidewall boundary layer blowing.Sidewall blowing improves the flow on the surface of airfoil and decreases the effect of sidewall boundary layer on the airfoil experiment results.

airfoil；wind tunnel；sidewall boundary layer；control system；PID control

V211.752

A

1672－9897（2012）05－0084－05

2011－08－04；

2011－12－02

国家高技术研究发展计划（2007AA05Z448）