基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术研究

针对表面摩阻传统测量方法的单点性和间接性,探索了荧光油膜进行全局表面摩阻分布的直接测量方法.建立了表征荧光油膜厚度与表面摩阻之间关系的油膜控制方程,引入附加约束和积分最小化方法,采用变分迭代方法求解表面摩阻分布.研制了可用紫外光激发的荧光油膜,采用紫外光源和高分辨率CCD相机,建立荧光油膜表面摩阻测量硬件系统.针对特定的三角翼模型进行了表面摩阻分布测量实验,获得了高分辨率的表面摩阻分布和相对幅值分布,并与文献理论进行比较分析.实验结果与理论分析完全一致,表明了基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术的有效性.     

轴承腔壁面液膜厚度数值模拟与实验测量

通过轴承腔壁面油膜厚度的实验测量以及数值模拟,对建立轴承腔壁换热模型、完善轴承腔热分析具有重要意义。通过轴承腔壁油膜流动进行量纲分析,提出了轴承腔表面的二维计算模型,并完成了对试验件的数值模拟。采用超声测量系统对轴承腔两个不同点处进行了油膜厚度测量,得到轴承腔油膜厚度随转速以及滑油流量的变化关系。将数值模拟结果与实验值进行对比表明:在计算工况条件下,测量点处最大误差小于8%,满足工程实践要求。     

基于剪切敏感液晶涂层的壁面摩擦力矢量场全局测量方法

针对壁面摩擦力测量问题,建立了一种基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术的平板表面摩擦力矢量场全局测量方法。该方法利用SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化特性(不同方向显示不同颜色)并结合其颜色变化与摩擦力大小之间的校准关系解算摩擦力矢量的方向和大小,能够测量整个待测区域的摩擦力矢量分布。应用所述方法测量了平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场。试验结果表明,该方法不仅能够高分辨率测量出平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场,而且能够研究凸起物的尾迹区随着流动速度增加的发展过程。     

荧光油膜技术及其在流动控制中的应用（英文）

研究了运用荧光油膜技术测量全局表面摩擦应力的方法,引入金字塔迭代技术和模拟演化技术提出了该方法的优化求解算法,并通过平板绊线实验对以上方法进行了验证。以此为基础,通过两个典型的流动控制实验进一步探讨了荧光油膜技术在流动控制中的应用,其中包括采用不同参数锯齿形转捩带控制平板流动转捩的被动流动控制实验和不同激励频率下的后台阶零质量射流主动流动控制实验。以上实验测量结果表明,荧光油膜方法能够有效帮助理解流动机理并可用于评估流动控制策略。     

平板表面薄圆柱绕流摩擦力矢量场全局测量

针对壁面摩擦力矢量场测量问题,基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术建立了一种测量平板表面摩擦力矢量场的方法。该方法基于多视角测量原理,采用六台同步相机从不同方向同时采集SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化,与采用单台相机相比能够降低测量噪声,并且具有测量非定常流动的摩擦力场的潜力。应用该方法测量了平板表面薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,结果表明:(1)SSLC涂层能够以彩色方式定性显示壁面摩擦力信息;(2)通过对不同方向观测的SSLC涂层颜色进行分析处理,该方法能够高分辨率测量薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,详细地捕获了流动特征;(3)同一份SSLC涂层可以重复使用并且可用于测量不同的摩擦力矢量场。     

荧光油流显示技术在高超声速风洞中的应用

通过原理性试验分析了系统组成中主要部件的参数指标,搭建了试验平台,完成不同颜色和类型荧光示踪剂的对比试验,筛选出性能可靠的荧光示踪剂,制作了荧光油膜,最后成功地将荧光油流显示技术应用到CARDC中的Φ1m高超声速风洞中。并对荧光油流图像定量化显示技术进行了研究,结果表明,根据荧光油膜发出的荧光信号,能够推算出荧光油膜的厚度信息。     

风洞试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量

风洞试验模型在气流脉动作用下小幅振动，导致光流法从荧光油膜时序图像中解得的荧光油膜路径运动速度含有模型运动速度，降低了荧光油膜全局摩阻测量准度。为此，提出试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量方法，将模型表面的背景纹理（如人工网格线或其他典型特征）作为基准，利用图像相关法离散匹配，获得相邻时序图像中背景纹理的（几何位姿）映射矩阵；基于模型运动的连续性，推导了映射矩阵的全局优化方程，并结合光流法，实现了模型振动与其表面荧光油膜路径运动的解耦。Oseen涡对的荧光油膜路径运动速度场仿真试验结果表明：在给定的平移旋转条件下，本文方法的计算结果（沿Oseen涡核连线分布的测量速度）与理论值的最大相对误差为4.1%，较无平移旋转条件下的光流计算结果最大相对误差仅增加0.6%。2 m量级高速风洞某空腔试验与机翼试验的荧光油膜路径运动速度测量结果进一步显示：本文方法测得的流动现象正确，能得到定量、清晰的表面摩擦应力线图谱与油膜路径运动速度场，较传统方法优势明显，工程应用价值大。     

考虑油气传热传质耦合的轴承腔内壁油膜运动研究

为研究航空发动机轴承腔油气两相流动及内壁面油膜运动特性,建立了腔内油滴-空气双向耦合数学模型和内壁面油膜传热传质运动模型,并对油气流场及不同供油流量下油膜的流动进行计算,获得腔内两相流场特性及内壁面油膜厚度、周向速度分布。结果表明:在所计算工况中,双向耦合计算流场与单向计算结果至少相差10%,因而不可忽略油滴对空气流动的影响;腔内滑油蒸汽质量分数低于0.05%,则空气-油滴之间粘性力产生的拖曳作用是影响流场的主要因素;随着供油流量的增加,油膜厚度及周向速度都呈增加趋势,但与滑油流量的增幅并不成正比。与国外试验数据的对比证明所建数学模型合理且有效。     

斜置平板的低速风洞实验研究

利用油流法和烟线法相结合的流动显示技术对不同斜掠角和迎角组合下的斜置平板进行了流场显示和和天平测力实验研究.油流显示结果揭示了斜置平板表面分离流动和再附流动的流动特征;烟线显示结果则揭示了斜置平板周围的涡系结构,从而解释了油流显示中所观察到的现象.通过天平测力,我们得到了斜置平板的滚转力矩特性和升力特性.实验结果表明:在小迎角下,随着模型斜掠角度的增加,一条展向发展的涡流动生成于模型的后掠段,该涡流动使滚转力矩保持为相对较小的正值;大迎角下,从斜置平板模型的前掠尖点生成了一股沿展向发展的涡流动,且随着模型斜掠角度的增加,涡流动的影响范围从模型的前掠段扩展到了后掠段,从而使滚转力矩先减小后增大.     

圆柱-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响。对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构。利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响。油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄。平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱。     

基于图像的测量方法在工业风洞跨声速流测量中的最新进展

风洞中非定常复杂流场的实验研究要求先进的测量技术.基于图像的测量技术中最重要的是测量平面流速度场、平面压强分布、模型位置和变形、模型温度以及定量的高速流可视化等技术.DLR(德国宇航研究院)对这些技术的应用包括从低速流到跨声速流、从增升装置到螺旋桨和旋翼、从弹射装置和水塔储水罐尾迹流旋涡到三角翼上涡破裂现象等的研究.由于跨声速风洞的特殊环境,将基于图像的测量技术用于跨声速流要求专门的技术开发和有经验的科学家.给出了DLR空气动力学和流动技术研究所将基于图像的测量技术应用于跨声速流研究的最新进展.     

三维非定常流场显示与测量

给出80°三角翼和Λ机翼模型低速三维非定常流场显示和测量结果,包括大迎角和大滚转角时前缘涡跳动频率及相应模型的抖动频率测量,模型作大幅度振动时流动图象的相位平均测量,以及由平行6片光经三维重建得到空间流动图象.测量结果表明,获得了在大迎角下模型抖动是由前缘涡的非定常跳动引起的这一新的流动机理.作为一种新的测量技术和新概念,模型大幅度振动时流动图象的相位平均测量,提供了研究非定常涡特性和定量确定涡核位置的有效手段.类似核磁共振(MRI)图象处理,由平行6片光流动显示经三维重建得到空间图象,对于分析涡的破碎、绕合、再附等现象是流动显示技术的新进步.     

静态滚转角对双三角翼涡流特性影响的数值研究

采用微可压缩模型（SCM）做为双三角翼低速流动控制方程,采用二阶Roe格式和LU-SGS方法离散控制方程。研究20°根弦名义攻角下,76°/40°双三角翼具有不同静态滚转角下的定姿态涡流特性。研究给出了不同滚转角下的空间涡流及表面极限流线,对滚转引起的攻角、侧滑角效应以及后掠角效应进行了分析,并对这些效应引起的流场结构、表面压力分布及气动力/力矩特性的变化进行了分析。结果表明：SCM能够较好地模拟低速双三角翼背风区的复杂涡流场,方法稳定性、收敛性较好 静态滚转导致双三角翼背风区涡流呈现复杂的非对称现象和涡破裂特征,并导致升力下降、横向稳定性变差。     

三角翼前缘分离涡场的实验研究

对五个不同后掠角三角翼的前缘分离涡流场在低速风洞中进行了实验研究。用七孔探针测量了不同迎角下三角翼前缘涡核的轨迹、涡破碎点、涡核环量和相对汇强度。实验结果表明,本文的测量结果与Erickson等人用其它方法测得的结果符合得较好,说明七孔探针是风洞中研究脱体涡流场的一种简易、方便而又比较准确的测量工具。     

高转速下轴承腔内壁油膜流动建模

结合国外已有试验工作,提出描述轴承腔壁面油膜运动的分析模型,并进行若干工况条件的影响分析.研究结果表明,轴承腔中油膜流动具有累积特点,表现出在排出口之间油膜厚度逐渐增大;旋转件转速的增加减小了壁面油膜厚度,但却提高了油膜平均速度;随着入口滑油流量的增加,壁面油膜厚度和平均速度都随之增加.理论分析及其与试验工作的比较都表明,提出的基于试验研究预测轴承腔中油膜运动物理状态的方法,对于在有限试验条件下研究轴承腔中壁面油膜运动机理、继而开展轴承腔内传热分析和润滑分析,是有价值的技术途径.      

低速三角翼滚摆试验研究

对80°和8O°／45°尖前缘平板三角器模型在低速风洞中进行滚摆试验，包括自激滚摆角时间历程测量，强边滚摆流动显示和翼面非定常压力测量。分析滚摆流动机理以及运动参数对涡流场的影响。     

非定常风洞洞壁干扰研究

在1m口径圆形截面低速风洞中用一组大小不同外形相似的前缘后掠角为70°的三角翼模型,测量了模型作俯仰运动时的上表面的动态压力分布,研究了洞壁对模型表面动态压力分布的影响.在3m×2.5m矩形截面低速风洞中,用另一组外形相似的前缘后掠角为70°的三角翼模型进行非定常测力试验,并测定了洞壁上有限测压点的动态压力,研究了模型大小对非定常壁压的影响和洞壁对模型非定常法向力系数的影响,并用混合法对大模型的非定常法向力进行了洞壁干扰修正,大模型的法向力系数修正结果与小模型的法向力系数基本一致.     

旋转圆盘表面油膜流动特性分析

为探究轴承旋转运动件表面油膜的流动和迁移特性,针对其拓扑结构——旋转圆盘,采用VOF方法描述圆盘表面油膜与空气界面的动态变化,结合流体动力学理论,建立了旋转圆盘表面油膜流动分析的计算模型,通过数值计算,分析和探讨了运行工况和润滑油粘度对圆盘表面油膜流动速度和厚度分布的影响。计算结果表明:润滑油膜呈近似圆盘状向圆盘边缘运动和迁移,离开圆盘边缘后分裂成油矢和油滴;油膜的厚度沿圆盘径向逐渐变薄;并随着供油量和润滑油粘度的增加而增大,随着圆盘转速的增高而减小;油膜的切向速度随着圆盘转速的增高而增大,但受供油量和润滑油粘度的影响较小;油膜的径向速度随着圆盘转速和供油量的增加而增大,随着润滑油粘度的增大而减小。与相关试验结果的对比表明,建立的数值分析方法具有较好的可靠性和普适性。     

基于Hankel阵的荧光油膜灰度与厚度预测模型改进

针对荧光油膜灰度与厚度关系数据采集方法较为繁琐、耗时耗力这一问题,研究了基于Hankel阵的系统辨识算法,并在此基础提出了Hankel阵误差修正模型和Hankel阵高阶迭代误差修正模型等两种改进方法,利用了极少数据量建立模型,实现了对其余未知荧光油膜厚度值的预测,且保持了较高的精度。试验结果表明:基于极少数据量建模以预测该数据量外的数据点这一特殊背景下,插值法的外插能力显得并不适用。而传统Hankel阵预测模型的预测精度为76.69%,Hankel阵误差修正模型和Hankel阵高阶迭代误差修正模型的预测精度分别为85.69%和89.25%,较之传统方法预测精度分别提高了9%和12.56%,为荧光油流技术领域针对荧光油膜灰度与厚度建模问题提供了一种可行技术路线,具有一定的实际工程应用意义。      

基于Elman的荧光油膜厚度近效测量

为解决荧光油膜灰度与厚度现标定方法（微小高度装置法）存在采集工况复杂、标定周期较长等缺陷，提出了一种新的近效测量方法，该方法只需极少量标定数据，便可达到与现标定方法相近的效果。近效方法利用了Elman动态神经网络对小样本数据进行量程扩展并引入一维插值算法使扩展后的数据项平滑，对解算出的三维荧光油膜厚度数据采用二维插值算法进行二次平滑以求得完整的厚度分布图。经模拟试验结果显示，通过该近效方法进行厚度测量最终可以清晰、准确、定量地显示荧光油膜厚度分布，与目前广泛使用的微小高度装置法相比效果相近，在荧光油膜汇集处（较厚区域）误差最大不超过±2.5μm，在平滑适中及较薄区域误差不超过±2μm，达到荧光油膜厚度工程测量标准，为飞行器全局摩阻测量提供了一种新标定思路，具有一定的实际工程应用意义。