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。     

激波绕楔形物体的流场分析

使用数值计算方法和数值干涉技术并结合实验干涉图片,分析了激波过拐角绕楔形物体运动的流场.并采用数值彩色干涉技术,将数值计算结果转换为彩色条纹编码的数值干涉图,并与实验干涉图比较,可以辨识过激波发生跳跃后的干涉条纹的位移数,从而确定实验干涉照片的密度场.数值计算采用显式二阶迎风TVD格式.采用数值干涉技术将计算密度场转化成数值干涉图与实验干涉图进行了比较,检验了数值结果的可靠性.数值计算结果显示了包括激波、接触间断和旋涡在内的详细的流场结构,与实验相比,更为细致地刻画了流场演变过程的细节.通过数值计算结果观察到激波传播到旋涡中心附近并没有发生明显耗散,旋涡上半部的激波得到减速,下半部分的激波得到加速.     

数值计算数据的流动显示模拟

在风洞试验中，光学流动显示技术是揭示流场特性的重要手段，为了把数值计算数据与流场显示结果进行直接比较，利用可视化技术把数值计算数据转化成阴影、纹影和马赫干涉条纹图像。首先根据有关研究结果和平面流动的特点，导出适于产生计算流场图像的关系式，重新计算流场数据，然后将导出的数据进行颜色编码。为了使图像效果良好、图像生成速度快，还介绍了一种自行设计的，时空效率较高的颜色编码算法。     

煤油射流在超声速燃烧室中的实验研究

在超声速燃烧室中分别采用气泡雾化煤油与纯煤油射流进行实验，研究不同情况对燃料的雾化和贯穿深度的影响。实验选用纹影法记录实验段图像，拍摄了不同注射压强条件下燃料有无气泡雾化的流场照片，对时间平均流场和瞬态流场分别进行记录。实验结果表明：气泡雾化的确明显地提高了液体燃料的雾化程度，但对贯穿深度没有显著的影响，提高贯穿深度的有效方法是增加射流压强。     

纹影系统中物平面的选择与刀口的设置

纹影方法是重要的流场可视化手段,实验前需要对纹影系统进行细致调节,物平面的选择与刀口的设置是影响纹影图像信息的关键环节.以穿过火焰的光线偏折特性和成像记录为例,分析并比较了不同物平面下所获图像特征,说明了在撤掉刀口的情况下消除图像的阴影效果是确定纹影物平面的有效方法.基于纹影法的工作原理和刀口进给量与纹影图像的对应关系,分别讨论了刀口方向选择、焦点位置确定和刀口切入量设置.为合理使用纹影系统进行流场可视化测量提供借鉴和参考.     

激波穿过孔板系统的传播及其诱导的流场

基于Ｅｕｌｅｒ方程，采用高精度、高分辨率的ＧＲＰ有限差分法及算子分裂技术，对激波通过孔板系统的传播、绕射和反射，以及诱导的流场进行了数值研究。计算结果清楚地给出了激波传播、绕射、反射、及相互干扰的复杂流场结构。与实验结果比较，早期两者吻合较好，后期由于湍流发展的影响，必需考虑粘性修正。     

离心风机蜗壳流场的烟线法显示及基于变分原理的数值计算

离心风机蜗壳设计的优劣将直接影响风机的效率。本文介绍了用烟线法显示离心风机蜗壳内部流场的实验装置、实验方法和结果,并提供了两组实验照片。一组是在风机进口条件相同转速不同时拍摄的。另一组是在风机转速相同流量不同时拍摄的。对照片显示的蜗壳流场进行了分析。本文还介绍了基于变分原理的数值计算。根据泛函的极值必要条件,对离心风机蜗壳流道中的流场求解,并以变域变分的方法求解叶轮与蜗壳之间的分流流线的位置。最后将实验结果与计算结果进行了比较,两者相符。本文提供的方法可对蜗壳设计的优劣作出判断,并可对蜗壳进行优化设计。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系.实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱.     

高超声速圆球模型飞行流场的数值模拟和实验验证

对高超声速圆球模型飞行流场进行数值模拟 ,分别采用空气完全气体模型、平衡气体模型以及热化学非平衡 1 1组元气体模型求解非定常轴对称N -S方程组。使用有限差分时间相关法捕捉激波 ,得到了定常流场的解。差分方程隐式部分采用了LU -SGS方法以避免矩阵运算 ,对化学反应和振动能量源项采用预处理矩阵以解决刚性问题。由计算结果处理得到的阴影图和干涉条纹图与再入物理弹道靶实验照片进行了对比分析 ,验证了实验中圆球飞行流场大部分区域接近于平衡状态。     

甲烷-空气的二次爆炸流场实验研究

为了揭示二次爆炸的产生机制及其影响因素,采用带导管的柱形泄爆装置对向空气中泄爆的过程进行了实验。实验获得了在不同泄爆条件下清晰的时序阴影照片和外流场测点的压力历程。根据实验结果分析了二次爆炸的产生条件,并详细讨论了二次爆炸影响因素在不同泄爆条件的变化,从而分析和解释了二次爆炸强度在相应泄爆条件下的变化规律。     

轴对称进气道外罩跨音速非守恒型全位势流AF3算法

本文针对轴对称进气道外罩跨音速绕流问题的特点,采用了贴体坐标网格;并对这类网格拓扑构造了三种Baker的隐式近似因式分解AF3有限差分迭代算法。通过理论分析与数值实验,找到了既能计算亚临界情形,又能计算超临界情形的AF3格式;并就此格式讨论了适合于进气道绕流特性的AF3迭代格式中间变量的提法,具体提出了格式实施的相应方法,研制了可供分析任意轴对称进气道外罩跨音速特性的计算程序。由于采用了任意曲线坐标系上的轴对称非守恒型全位势方程适合于用不同方法生成的计算网格,因此,本文的工作还有可能进一步推广到计算更复杂的轴对称进气道跨音速绕流问题。计算表明,本方法收敛快,结果好。     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

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.     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

单头部燃烧室流场PIV试验测量

航空发动机燃烧室内流场结构直接影响燃油雾化、油气掺混以及燃烧性能,本文采用粒子图像速度仪(Particle image velocimetry,PIV)对某单头部基准燃烧室内的冷态流场和燃烧流场分别进行了试验测量。在冷态流场试验中,研究了进口空气流量变化对燃烧室内的流场结构、回流区尺寸大小变化的影响规律;而燃烧流场试验测量分别研究了进口空气流量和油气比变化对燃烧流场结构的影响。试验结果表明:由于下壁面中间主燃孔进气射流的强烈影响与挤压,导致旋流器出口处横向截面上的旋转气流不是一个完整的旋流气流;燃烧流场与冷态流场相比,其流场结构基本相似,但中心回流区宽度稍变瘦,随着油气比的增大,中心回流区逐渐变瘦,宽度变窄;随着油气比的增加,轴向速度逐渐变大、回流负速度变大;燃烧流场测量中,在燃烧室头部较好地捕捉到喷嘴喷出的油雾锥上油珠的速度大小。     

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。     

三面压缩式高超声速进气道流动结构研究

采用油滴显示技术结合数值模拟方法对三面压缩式高超声速进气道的流场进行了深入研究.结果揭示由于激波-边界层干扰,三面压缩进气道内存在边界层分离、溢流和三维涡结构等复杂流动现象,尤其是唇口诱发的较大强度的斜激波引起了侧壁和顶面的边界层分离,并在顶面附近形成大尺度的流向涡,造成隔离段内存在明显的分层现象,形成低总压区,需要在进气道设计时对这一现象进行有效控制.     

低雷诺数下Mini-TED对翼型流动分离特性的影响PIV实验研究

介绍了安装有后移式微型后缘装置(Rearward Mini-TED)的NACA23012翼型流场结构的低雷诺数风洞实验结果。实验采用PIV技术采集了不同迎角时翼型周围的速度分布,测量了后缘附近 Mini-TED周围的详细涡旋结构,并与NACA23012原型翼型周围流场进行比较分析,以研究该 Mini-TED对翼面流动分离特性造成的影响,本实验以弦长为特征量的雷诺数为Re≈1.3×105。实验结果显示,Mini-TED对上翼面的流动分离有明显的抑制作用,尤其在较大迎角时更为有效,并且上翼面流速均高于对应迎角时原型翼型的翼面速度;下翼面流动在Mini-TED前方形成局部的低速区,造成静压升高,同时 Mini-TED 上方观察到对涡结构,形成低压区,二者共同作用的结果将导致后缘产生附加升力,增加翼型的低头力矩。上下翼面间的速度差比原型翼型有所增加,使翼型获得更高的升力。     

三维物体绕流数值模拟中薄层模型的应用

介绍用于近似计算绕三维尖体无粘流激波薄层的二层模型。本法以数值确定激波的位置，在计算不同结构形状物体的空气动力特性时能确定气体动力载荷的近似值。采用这种方法实际上排除了超高速理论中其他已知方法对尖体几何形状所加的约束。与通常的空气动力特性曲线相结合，此法可获得在设计和非设计飞行状态下飞行器整个系统的近似绕流流场，且可优化其空气动力结构。     

惰性粉尘抑爆过程的实验研究

在长 9m ,内径 0 .1 4m的燃烧管内进行了CaCO3颗粒对H2 O2 混合物中发生爆炸过程的抑制作用的实验研究。该管分为三部分 :激波成长段 ,抑爆段和抑爆后观察段。其中抑爆段装有 1 0套可形成均匀颗粒悬浮流的喷粉系统。实验结果表明 ,仅当颗粒浓度大于某值时 ,才可能有效抑制爆炸 ,否则爆炸波会在抑制后重新成长。笔者还基于两相化学反应流的基本方程 ,通过分裂方法 ,全耦合TVD格式和Lax Wen droff Rubin格式对粉尘抑爆现象进行了数值模拟 ,计算结果反映了惰性颗粒作用下激波的变化过程 ,其结果与实验结果一致