反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

基于彩色纹影的EdneyIV型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下EdneyIV型激波相互作用。解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60Vs,帧频6242fps。将光源限制在0．5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度。实验在马赫数为5的激波风洞内进行,EdneyIV型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K。数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程。实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了EdneyIV型激波相互作用的波系结构和马赫数为1．2的超声速射流。数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了EdneyIV型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因。     

反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中，相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究，采用线约束肥皂膜技术生成较为理想的空气/六氟化硫（air/SF₆）单模气体界面，借助高速纹影技术捕捉激波冲击界面后的详细不稳定性演化过程，重点关注反射距离对不稳定性发展的影响（反射距离定义为初始界面和激波管尾端固壁的距离）。研究发现，在一定反射距离范围内，反射激波作用后的扰动增长率几乎为一个恒定值，与反射距离无关（即与反射激波作用前的扰动振幅及增长率无关），随着反射距离的进一步增大，扰动增长率降低。通过实验测量值与理论预测值的对比，发现Mikaelian模型和Charakhch’an模型（采用合适的经验系数）均能对反射激波作用界面后的扰动增长率给予有效预测，且这两种模型的经验系数都依赖于反射激波作用前的界面演化状态，如果反射距离的改变引起/（不引起）界面演化状态的变化，则需要/（不需要）改变经验系数的值。     

激波与氦气泡相互作用的实验与数值研究

提出了一种在激波管中实现运动激波与球形气一气界面相互作用的研究方案。以肥皂膜作为气体交界面,高压火花为光源,采用阴影法,在马赫数M=1．2的情况下,在矩形激波管中开展了一系列的实验研究,获得了激波作用下球形氦气泡界面发展变化的相关实验结果。还通过求解二维轴对称的Euler方程,结合网格自适应策略,对实验过程进行了数值模拟。通过与实验结果的对比分析,证实了涡量的产生和分布对于界面的变形和发展有着重要意义。     

基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richtmyer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点。同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异。实验结果表明：当流体的粘度梯度方向（从小到大的方向）与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著。     

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行，实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片，实验结果发现，运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。     

激波冲击锯齿形界面的气泡竞争实验研究

通过实验在激波管中研究了平面激波冲击锯齿形界面的流动不稳定性演化过程,重点关注锯齿形界面初始顶角角度对气泡竞争的影响。利用肥皂膜技术生成初始气体界面,并采用高速摄影结合纹影方法对波后流场进行观测。结果表明:在界面发展早期,大、小界面几乎独立发展,说明气泡竞争在早期不起作用;随着时间发展,气泡竞争起作用,且随着锯齿形界面角度改变而变化,角度越小,界面上产生的斜压涡量越大,界面发展越快,气泡竞争越早出现且作用越显著。气泡竞争能够促进大气泡、抑制小气泡的振幅增长,且对小气泡的影响更大。气泡竞争同时会导致尖钉结构扭曲,进而改变界面总体振幅。气泡头部位移差在进入非线性增长之前会经历两个线性阶段,且第二个线性增长率较小,表明非线性效应在该阶段具有重要作用,大气泡受到非线性效应的影响更大。不同条件下的气泡位移差无法归一化,说明初始顶角角度对气泡竞争和界面演化具有重要影响。     

喷管内二次喷射的激波测量与分析

研究了不同喷射位置、喷射马赫数和喷射角度的气体二次喷射混合流场的弓形激波形状。在二维矩形喷管内进行二次喷射试验,用纹影仪拍摄得到激波照片。将由照片换算得到了激波半径与用爆炸理论计算的结果相比较,证明爆炸波解在计算激波半径方面提供了与实验较符合的结果。     

合成纹影技术在内波实验研究中的应用

纹影方法是重要的密度场可视化手段。文章重点介绍实验室研究中一种新型密度场测量方法—合成纹影技术,阐述了合成纹影技术的原理。利用光源、背景模板、实验水槽、图像采集设备搭建了合成纹影系统,将合成纹影技术应用于垂直振荡圆柱和往复潮流过地形生成内波两个实验,结果验证了合成纹影技术在内波实验中定量测量密度场的可行性和准确性,为合理使用合成纹影技术进行密度场可视化测量提供借鉴和参考。     

楔—后掠柱激波干扰流场和热流的工程算法

本文针对航天飞机机翼前缘的简化模型,即楔-后掠柱模型,在大后掠、高超声速条件下,提供了一种计算柱体前缘激波干扰流场和热流的工程计算方法。在中国科技大学流体力学实验室的激波风洞中取得了激波干扰的流场显示结果。计算的结果与国内外实验数据的比较表明,这是一种有效的方法。     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量。聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息。依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值。试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的。     

双截面聚焦纹影技术应用研究

通过支板尾流结构显示实验,研究了使用双截面聚焦纹影技术显示复杂流动的可行性。双截面聚焦纹影系统能在一次实验中得到两个不同位置的聚焦纹影图片,并能保证两张图片反映的是同一时刻的流场结构。比较了普通纹影与双截面聚焦纹影系统捕捉三维流场结构的能力,证明聚焦纹影技术显示复杂流场是有潜力的。为使之能够清晰地反映复杂流场的三维特征,还需在缩小聚焦区厚度和提高信号质量方面做工作。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

Oblique shock train motion based on schlieren image processing

In this paper, shock train motion in a Mach number 2.7 duct is studied experimentally, and large numbers of schlieren images are obtained by a high-speed camera. An image processing method based on Maximum Correlation Detection (MCD) is proposed to detect shock train motion from the schlieren images, based on which the key structures, e.g., separation positions and separation shock angles on the top and bottom walls, can be analysed in detail. The oscillations of the shock train are generated by rhombus and ellipse shafts at various excitation frequencies. According to the analysis of MCD results, the distributions of the frequency components of shock train oscillation generated by the two shafts are distinctly different, in which the motion generated by the ellipse shaft is much smoother; shock train motion is mainly characterized by the oscillation of separation position while the separation shock strength is not so sensitive to downstream disturbance; there is a hysteresis loop relation between the downstream pressure and separation position.     

Trajectory Analysis of Fuel Injection into Supersonic Cross Flow Based on Schlieren Method

Trajectory analysis of fuel injection into supersonic cross flow is studied in this paper. A directly-connected wind tunnel is constructed to provide stable supersonic freestream. Based on the test rig, the schlieren system is established to reveal the fuel injection process visually. Subsequently, the method of quantitative schlieren is adopted to obtain data of both fuel/air interface and bow shock with the aid of Photoshop and Origin. Finally, the mechanism based on two influential factors of fuel injection angle and fuel injection driven pressure, is researched by vector analysis. A dimensionless model is deduced and analyzed. The curve fitting result is achieved. The relationship between the data and the two influential factors is established. The results provide not only the quantitative characteristics of the fuel injection in supersonic cross flow but also the valuable reference for the future computational simulation.     

非均匀超声来流矩形隔离段内流场实验

针对超燃冲压发动机隔离段的非均匀进口条件设计了隔离段实验风洞，通过测量隔离段壁面压力和拍摄流场纹影照片研究了矩形隔离段内激波/紊流附面层相干流场。研究发现，隔离段进口的非均匀流使隔离段流场压升特征与附面层发展规律与均匀进口的隔离段流动有显著差异。用截面当量直径取代Waltrup公式中的圆管直径可以取得较好的吻合效果。在进口马赫数小于2时，升高同样的压力，非均匀进口隔离段产生的激波串长度比Waltrup公式预测的长度要长。纹影仪观察发现隔离段内激波存在严重的振荡现象。