高速冲击射流中的涡结构和冲击单音

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器（STOVL）等航空航天领域,然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题,需要深入研究其流动特性和噪声机理,特别是二者之间的关联。采用PIV（粒子图像测速）技术对高速冲击射流的流场结构和涡结构进行深入研究,探讨流场与声场的相关性,发现冲击单音的存在与否及强弱与涡结构的存在与否及强弱大小相对应,且冲击单音随压比、冲击距离、喷嘴唇厚等参数变化的规律也与涡结构与这些因素的变化规律相一致,因此涡结构和冲击单音具有很强的相关性;并且螺旋模态与对称模态对应不同频率的冲击单音,在同一工况下可能存在两种流动模态共存的情况,此时冲击单音也具有多频率特性。因此抑制大尺度涡结构的发展是降低冲击单音的重要环节,可为冲击射流的降噪研究奠定涡声理论基础。     

矩形管湍流冲击射流场的PIV实验研究

湍流冲击射流在工程和军事工业中都具有广泛的应用。采用粒子图像测速(PIV)技术,在射流雷诺数为20000和喷口-冲击板间距为4倍喷管水力直径的条件下,对矩形管湍流冲击射流场进行了实验测量,得到了主射流区和冲击区附近测量截面上的平均速度和涡量分布。结果表明,由于射流的卷吸及其与环境流体之间的相互作用,使得射流边界处具有很高的涡量;在流场的流出区域存在一个显著的回流区,这是半封闭冲击射流场的特征结构之一。     

冲击射流的PIV实验研究

利用PIV技术对出口内径为10mm的冲击射流进行了不同距离(2d、3d、6d、8d),不同压比(1.2、1.5、1.8、2.0、2.3、2.8)下的实验研究。通过实验分析和图像处理等手段对冲击射流的流场分布、涡结构进行了适当的总结。发现了一些新的现象和规律,为今后更深入地研究提供了依据。     

屏蔽罩和微射流对超声速冲击射流的降噪研究

利用实验手段研究了超声速冲击射流在屏蔽罩或微射流控制下的流场和声学特性.远场噪声测量结果表明,对于超声速射流利用微射流或者屏蔽罩方法,不仅可以明显地消除冲击单音,而且还可以降低宽频噪声.为了理解这两种降噪控制方法的物理机理,利用粒子图像测速技术(PIV)检测了有无控制方法时的流场情况.PIV结果显示,对于超声速冲击射流当有屏蔽罩或微射流时,流场中的大尺度结构明显地减少了.说明这两种方法都能削弱超声速流场中反馈环的形成,因而降低了超声速冲击射流的不稳定性.     

受限空间内射流影响下主流内气固两相流动实验研究

为了研究壁面射流在受限空间内对不同粒径颗粒群分布的影响及其作用机理,搭建了横向矩形通道内的射流气固两相流动实验台.通过调整均匀流动段内的隔栅网数量和化置,在无射流条件下使不同粒径颗粒在高度方向上均匀充满整个横向通道.在主流雷诺数7.9×104,射流雷诺数1.8×104的条件下,采用PIV系统对流动通道中的气流场和颗粒分布进行测量.由瞬态涡结构图片发现,带主流受限空间内的射流涡结构与自由射流涡结构具有明显差异,存在不对称的连续涡结构发生、脱落与破裂过程.通过观察射流对不同尺度颗粒的影响,详细分析了射流对颗粒分布发生影响的两大机理,并由此预见了壁面射流控制手段在上程上的应用性.     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

流动多参数场的单帧图像法测量方法研究

在采用单帧单曝光图像法(SFSE )研究射流卷吸流场测量应用的基础上,提出了单帧多曝光图像法(SFME)。该方法不仅可以测得流场的速度场,还可以得到加速度场、力场以及湍流强度、湍流应力等多个场参数。应用 SFSE 和 SFME 方法,对圆管淹没水射流的卷吸涡结构进行高分辨率图像可视化初步测量实验研究,测量空间分辨率达到1.125μm,发现了一些未见文献报道的涡结构,清晰地显示了射流卷吸涡的发展演变过程。实验结果表明 SFSE 和 SFME 方法用于观测微米级的流场湍流流动和涡结构,可以较其他方法得到更丰富的流场参数信息。与其他流场测量方法比较,该方法测量装置简单,空间分辨率高,对实验条件要求低,能够更加直观地显示流场多参数信息并用于微观流场的测量。     

有初始横流阵列射流冲击的三维数值计算

对具有初始横流的阵列射流冲击的流场和温度场进行了三维数值计算 ,研究了射流孔与冲击靶面间距、射流冲击孔排列方式和射流与横流质量流量比等因素对换热特性的影响。结果表明 :( 1 )在不同的射流孔与冲击靶面间距下 ,对于给定的射流与横流质量流量比 ,顺排方式的冲击冷却效果要优于叉排方式 ;( 2 )射流孔与冲击靶面间距对阵列射流冲击的流动和换热特性影响是非常复杂的 ;( 3 )随着初始横流与射流质量流量之比增加 ,在相同的射流孔与冲击靶面间距下 ,顺排和叉排方式的冷却效果均呈现单调的下降     

高速冲击射流流场特性与噪声机理的研究

利用纹影方法和高速摄影得到了高速冲击射流在不同压比下的流场结构,发现在马赫盘出现之前,冲击射流的流场是整体振荡的;而马赫盘出现之后,冲击射流的流场振荡局限于马赫盘与冲击平板之间,且此时离散频率的冲击单音也明显减弱甚至消失,这意味着马赫盘的形成可一定程度地抑止反馈环的形成。     

高压水射流结构的红外热像特征

对高压水射流进行了红外探测,提取了射流红外辐射温度的二维与三维特征,研究了湍射流的涡旋结构、射流分段结构及其时间演化特征.结果表明:射流大尺度涡结构呈现不规则的椭圆形,随着射流雷诺数增大,涡的尺度也不断增大;拟序结构中配对的大涡并非严格对称,其强度不同、涡的精细结构也不同;大涡可由尺度、强度、旋向不同的子涡组成;射流初始段的红外辐射温度呈线性分布、主体段呈随机分布、过渡段呈出突变的特点.     

基于时间解析PIV的串列水力转轮尾流特性研究

为研究串列水力转轮组合的下游转轮对上游转轮尾流的影响，采用时间解析PIV系统对2个垂直轴Bach水力转轮之间的流动进行测量。在不同来流速度条件下，研究下游转轮的安放角对上游水力转轮尾流的影响，对比分析受到水力转轮边界影响的尾流特征。研究结果表明:来流速度增大时，速度恢复区向上游转轮延伸，当下游转轮安放角小于108°时，该区域的速度随安放角增大而减小；当下游转轮安放角大于108°时，速度变化趋势相反。尾流中的旋涡涡心位置随安放角不同上下偏移，在部分安放角下，旋涡被拉伸变得扁平，流线也因此呈现出与无下游转轮时不同的非水平偏转状态；高能涡量区域在部分安放角和来流速度增大时，逐渐向下游和尾流中心发展，流场中离散的小尺度涡不断增加；尾流中的大尺度涡结构包含于前3阶的POD模态中，而高阶POD模态主要表征小尺度的流动结构。     

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场，研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用，而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系，发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。     

低旋流数旋进射流流场结构演变的POD分析

利用粒子图像测速技术（PIV）对雷诺数Re = 4.5×104的低旋流数旋进射流流场进行了实验测量,并利用本征正交分解（POD）方法对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构。针对3种不同旋流数（S = 0、 0.26和0.41）,对比分析了POD分解得到的空间模态以及用POD模态重构后的脉动速度场的变化规律。POD分析得到的结果表明:旋进导致流体交替地从腔体一侧沿着壁面流出,从另一侧流入;旋进刚发生时,上游剪切层内的旋涡结构尚未完全破坏,它们会一直向下游发展直至旋进起始点附近后,开始随着主流一起偏转,而下游剪切层内的大尺度结构被完全破坏;随着旋流数的增加,旋进以及射流的自身振荡被加强,从而导致流场结构更加复杂、大尺度旋涡结构被破坏。     

基于层析PIV的湍流边界层展向涡研究

层析PIV是一种现代激光测速技术,能实现三分量空间体内三分量(3D3C)速度场的测量。应用层析PIV测量Reτ=1768的平板湍流边界层,得到150个瞬时速度场,测量体的大小为80mm×16mm×45mm。旋涡强度λci 准则用来进行涡识别,而旋涡强度在展向的投影λzci 被用来识别展向涡。根据λzci 的连通域得到展向涡位置后,统计了展向涡沿法向的变化规律,并给出了在流向-法向平面内高低速区域和正负展向涡空间位置的关系。统计结果表明:随着法向高度的增加,展向涡的强度逐渐降低;负展向涡的流向平均速度高于正展向涡,且流向速度与法向速度有很强的依赖性;在小尺度范围内,流向-法向平面内的高低速流动区域与正负展向涡的空间位置密切相关。     

犘犐犞技术在复杂二相流场中的应用

光学元器件随飞行器在大气中飞行时,其工作性能越来越多地受到大气悬浮汇聚微粒的影响。大气微粒在复杂流场中呈现何种运动汇聚效应,对于合理准确评估机载光学元器件的工作效能具有十分重要的工程意义,而复杂气动流场中微粒分布状态的预估一直是飞行器外界环境研究中的一个难点。气动问题的复杂性、大气中微粒的多样性一直是制约各种试验手段展开、数值模型建立的主要因素。利用先进的激光粒子图像技术,在风洞中对舵面旋涡主导的复杂流场中的微粒速度及分布特性进行了实验研究。在测量舵面翼梢脱落旋涡特性的基础上,通过激光片光扫描流场全域,同时高帧频CCD相机同步曝光,利用PIV 拍摄到的流场中涡流截面内微粒分布的瞬态图像。结合图像后处理技术,对原始粒子图像进行互相关、二值化处理,通过对图像区域内的灰度值计算,统计相对流场截面内的粒子浓度系数,得到在复杂旋涡结构流场内瞬态粒子的分布特性规律。研究结果表明,利用大气中微粒在激光片光下的米氏散射原理,可以有效地拍摄到复杂流场结构下粒子光学散射及分布的特性图像,解决了传统环境测试设备无法对复杂条件下流场内粒子分布进行实时测量的缺陷;在旋涡为主导的流场中,大气中的微粒由向心力牵引,在涡核周围达到平衡运动状态,微粒环绕涡核形成一条环状带,这一区域中的粒子浓度系数要远大于自由流场中的微粒,涡核中心粒子呈“空洞”状态。     

高宽比为5的悬臂正方形棱柱气动力特性

通过风洞实验研究了一端固定于壁面、另一端为自由端的三维正方形棱柱气动力特性。实验中模型宽度 d =200mm,高宽比为5,来流风速为U ∞=13m/s。基于U ∞与 d 的雷诺数Re d =1.73×105。研究发现,三维方形棱柱时均阻力系数(CD )与升力系数根方差值(C′L )都明显小于二维方柱的对应值,且三维方形棱柱的涡脱落频率也相对较低。三维方柱绕流与气动力存在2种典型状态:一种是类似卡门涡街的展向涡交替脱离状态,此时柱体阻力较大,且升力出现大幅周期性波动;另一种是展向涡呈准对称状态脱落,此时阻力较小,而升力无明显周期性波动。第一种状态所对应的 C′L 明显大于第二种状态的对应值,在柱体下半部分前者 C′L 为后者2倍左右,2者差异随着向自由端的靠近而逐渐减小。此外,当第一种状态发生时,有限长棱柱气动力的展向相关性也明显强于第二种状态。上述2种典型状态交替随机出现,使有限长棱柱气动力具有明显的非平稳特性。     

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

为解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较,分析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果表明:喷嘴中心、内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场;喷嘴中心、内环、外环喷出的气流速度接近一致时,流场比较稳定;喷嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时,工件表面出现漩涡,破坏了流场的稳定性。     

PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场。对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大。该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考。     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。