热膜法测量壁面剪切应力的原理和B-1型热膜的初步实验

本文阐述了应用表面热膜测量壁面剪切应力的原理,介绍了应用自行设计的B-1型热膜在圆柱体上测量壁面剪切应力的实验概况和结果     

圆柱体绕流分离区流动特性

本文介绍了用热线和热膜的整流效应方法,对圆柱体绕流分离区表面以及“死水区”的时间平均流动特性进行试验研究的结果。同时,用底层隔板对圆柱体表面流动方向进行了检测。 试验结果表明,在“死水区”内,存在着与低雷诺数情况下类似的流动结构。 最后,本文对尾流中涡街形成的机理作了初步讨论。     

基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究

为验证低雷诺数条件下,采用大气压等离子体流动控制技术进行圆柱绕流控制的有效性,设计了圆柱绕流实验系统,并开展了圆柱绕流实验研究.实验研究表明,在雷诺数为1.35×104和1.90×104的条件下,等离子体激励器产生的流动扰动,能够有效控制圆柱体绕流的流动分离,并显著改善分离流场,增涡、减涡效果明显.实验结果表明,大气压等离子体流动控制技术是钝体绕流流动特性控制的一种有效手段.     

圆柱体绕流尾迹的PIV测量

PIV是一种先进的流场定量测量技术,在生产性风洞中的应用前景非常广泛。利用PIV测量技术,采用双CCD摄像机在EL-5低速生产性风洞中对不同的雷诺数Re下圆柱体绕流尾迹进行定量的测量,给出了圆柱体绕流尾迹的瞬时速度场、涡量场和流场的流线图。通过测量发现剪切层的相互作用是圆柱体绕流尾迹区旋涡形成和脱落的重要因素,并直接验证了Gerrard的绕流尾迹理论;在雷诺数Re=104-105范围内,随着雷诺数的增大圆柱绕流近尾迹区旋涡形成区域长度在逐渐缩短。     

双曲线圆截面建筑结构雷诺数效应模拟实践

在流线型结构气动性能风洞试验研究中,结构表面绕流特征雷诺数效应的准确模拟对于确定风荷载、评价其气动性能的影响是决定性的.通过改变模型表面粗糙度可以实现原型结构超高雷诺数条件(Re≥10~7)绕流效应模拟,但模拟手段及效果受人为经验因素影响较大,难于总结表面粗糙度与绕流形态变化关系,给实际模拟操作造成不便.设计两组双曲线圆截面结构模型风洞试验,通过在模型表面粘贴不同厚度粗糙纸带的办法,尝试并实现了模型超高雷诺数条件绕流特征模拟,分析了粗糙度及试验风速对模型表面绕流压力分布、截面阻力系数等参数的影响,初步总结了相对粗糙度随模型尺度的变化规律,为更好展开圆截面建筑结构气动性能研究提供了借鉴.     

贴壁二维方柱绕流对壁面摩擦应力的影响

利用TR–PIV与平行双丝热线,对平板边界层内的贴壁二维方柱绕流流场和壁面摩擦应力的关联进行了实验研究。主要关注方柱下游大尺度流动结构的运动对近壁面流向平均速度零点处摩擦应力的影响(基于方柱宽度与来流风速定义的雷诺数固定为1.1×10⁴)。研究表明,贴壁二维方柱绕流产生了2种典型的流动结构：一为向壁面靠近并接触壁面的近壁流动结构,本文称“I涡”;一为平行壁面沿流向运动的流动结构,本文称“Ⅱ涡”。Ⅰ涡、Ⅱ涡的出现改变了壁面附近流动速度的大小和方向,影响了测点壁面摩擦应力：增大了流向速度梯度,导致摩擦应力陡增;减小了流向速度梯度,导致摩擦应力锐减;改变了摩擦应力方向。本文研究结果可为理解表面冲蚀、污染物聚集、近壁面湍流耗散等问题的机理提供参考。     

来流马赫数对座舱气动加热影响的数值模拟

采用数值手段研究了来流马赫数对飞机座舱附近区域气动加热的影响,计算的来流马赫数为0.8~2.0,基于翼展的雷诺数为107。通过分析飞机蒙皮表面的温度分布、表面摩擦因数、壁面法向速度梯度和热流量等物理量,给出了飞机头部座舱附近区域的气动热分布情况。计算结果表明,随着来流马赫数的增加,壁面法向速度梯度增大,飞机对称面上的平均温度、表面摩擦因数和热流量随之增大。此外,针对某型号飞机的计算结果表明,座舱附近区域上表面中心线上的平均温度与来流马赫数、自由来流温度之间呈一定的函数关系。     

高速流中壁面剪应力某些测量方法

本文综述了高速流中壁面剪应力的三种测量方法——普雷斯顿管法,底层隔板法和表面热膜法。着重讨论压缩性影响。作者还用 White-christoph 壁面律,导出计及压缩性,压力梯度和壁面热传导影响的普雷斯顿管理论校准公式,又从二维可压缩边界层的能量积分关系导出了表面热膜测量所需的壁面剪应力和压力梯度、压缩性及壁面热传导率的关系式。     

NACA0012翼型低雷诺数绕流的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和 PIV 测速实验研究了 NACA0012翼型在雷诺数为8200时的流动特性,重点关注了翼型绕流结构随迎角的变化。研究发现:分离点和分离剪切层形成旋涡的位置随迎角的增大而向上游移动,同时翼型上表面流动分离后形成的回流区尺寸随着翼型迎角的增加而增大。当流动再附于翼型上表面时,在再附点附近能够观测到展向涡的三维演化过程,并能观测到展向涡的局部配对现象。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

环形流道流体阻力特性实验研究

针对环形流道下流体阻力特性较圆管阻力特性存在差异,对不同尺寸间隙的环形流道流体阻力特性进行了实验研究.依据圆管流体流动特性原理,推导出摩擦阻力计算公式,采集实验数据、计算实验结果,并对实验结果进行比较、分析.结果表明,环形通道流动特性与流道间隙大小有关,认为间隙为2.5mm是环形通道流动特性的临界点.研究发现,间隙尺寸大于2.5mm时摩擦阻力系数与理论计算相符,流态转捩雷诺数与常规尺寸基本吻合;间隙小于2.5mm为窄环形通道,窄环形流道流体阻力系数随间隙的减小而减小,流道流体流态转捩点明显提前,并且间隙值越小流态转捩雷诺数越小.     

亚临界雷诺数细长体绕流流态随迎角的变化和分区

通过在北航1.2m水洞中利用染色液显示和激光片光技术的显示实验以及在西工大NF-3风洞中进行的表面测压实验,对拱形头部细长旋成体在无侧滑条件下的流场结构和流动特性随着迎角的变化进行了实验研究。在流动显示和测压结果分析的基础上,对迎角从0°到90°范围内绕细长体的流动进行了流态分区,即细长体绕流经历6种流态:极小迎角下(0°≤α≤3°)物面附着绕流流态、小迎角下(3°<α≤25°)背部对称旋涡流态、中等迎角下(25°<α≤40°)背部2个非对称旋涡流态、大迎角下(40°<α≤60°)的非对称多涡系复杂流态、特大迎角下(60°<α<75°)背部多个旋涡依次破裂的流态、极大迎角下(75°≤α≤90°)背部类卡门涡街(或随机尾迹)流态。阐述了不同区域的流动特性和气动特性。     

低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构实验研究

通过水洞流动显示实验对低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构进行了研究,特别是前缘剖面对50°三角翼绕流涡结构的影响及存在双涡结构时模型的最大后掠角.实验表明,双涡结构对染色液的注入位置很敏感,且这一双涡结构现象在64°三角翼绕流中仍可观测到;此外,前缘剖面形状严重影响涡破裂位置及涡核的空间分布.与迎风面倒角前缘相比,背风面倒角的三角翼易于产生双涡结构、可以推迟涡破裂并使涡核靠近模型上表面,进而有利于提高三角翼的气动特性.     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术，在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析，并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明，基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度，结合仿真分析，可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

两类流场下悬臂圆柱气动力特性对比研究

对长径比L/D=2的悬臂圆柱在来流风速5~20m/s（Re=1.73×105~6.90×105）下进行层流来流和湍流来流（I_u=9.5%）风洞试验，研究亚临界至超临界雷诺数、高湍流度下悬臂圆柱绕流的气动力特性，包括阻力系数、平均风压分布、脉动风压分布等。结果表明:（1）层流来流下，悬臂圆柱长径比越大，临界区间阻力系数降幅越明显；超临界区间，悬臂圆柱长径比越小，阻力系数越大；亚临界区间脉动风压峰值在距驻点70°位置出现，超临界区间峰值位置后移至110°~115°且脉动风压分布出现明显尖峰。（2）湍流来流下，L/D=2悬臂圆柱脉动风压峰值位置与层流来流超临界雷诺数下的结果一致，峰值大小随雷诺数的变化较为平缓。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响.实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置:粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm.基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化.实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征.发现:对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小.粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大.研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义.     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究.粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5.基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740~17400.实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围.粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高.沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度.粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性.尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响.     

矩形截面S弯扩压器旋流的研究

本文给出了不同进口条件下矩形截面S弯扩压器内旋流场的实验研究结果。在实验中测量了扩压器进口和出口的横向流速分布。当改变扩压器进口高度方向的横向流速度时,在出口截面的横向流一般呈S形状,只是在进口高度方向横向流速度的平均值达到上游导流段平均速度的30％左右时,出口截面才出现单一的旋转流场。研究表明,扩压器出口截面的旋流系数与进口或第二弯出口截面上下壁面静压系数之差有一定的规律关系。这预示着S弯进气道中旋流的大小可以用很简单的静压系数进行监测。     

电磁力连续控制圆柱绕流态变化的研究

作用于电介质溶液流体边界层上的Lorentz电磁力可以改变流体边界层的结构,从而控制流体绕流的形态。通过理论分析和数值模拟确定了实验控制的关键参数,交替分布的电极和磁极包覆在圆柱体的表面置于电介质溶液中,简单调整电磁力的分布可以方便地控制圆柱尾迹的流动结构,实现了电磁力消涡和增涡的连续控制。     

高超声速脉冲风洞中带燃料的超燃冲压发动机模型试验

给出了在ITAM最近投入使用的高超声速脉冲绝热压缩风洞AT-303中进行超燃冲压发动机模型实验的结果.实验马赫数M∞≈8,运行时间τ=50~60 ms,雷诺数范围Re1∞=2.7×106~4.0×107,模型表面的边界层自然转捩.在实验中,模型中有燃料供给:把气态氢以超过化学量比率的空气燃料因子注入到燃烧室.提供了足以发生氢燃料自点燃的流动条件.测量了沿进气道楔型压缩面和整个发动机通道上的纵向压力和热流分布.所获数据与同一模型在热射流风洞IT-302M(实验马赫数M∞≈6,8,运行时间τ=100~120 ms,雷诺数范围Re1∞=(1.3~1.8)×106,进气道压缩面和侧压缩面进行了边界层转捩).结果表明:实验模型发动机在两座风洞中进行实验所获得的流态类型相同.发动机刚刚启动时,在进气道入口及其下游的发动机通道内形成超声速流.注入氢后,首先在燃烧室内形成平均流速是超声速的燃烧流动.之后,在燃烧室出口出现热拥塞现象、在进气道扩压段产生伪激波流态.在两座风洞中进行了进气道和发动机通道的流动特征试验,获得了令人满意的结果.