三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究

用数字粒子图像测速技术(DPIV)测量了扩散火焰周围气流在梯度磁场作用下的速度分布,并与无磁场作用下的速度分布比较。结果表明当梯度磁场作用于扩散火焰时,火焰周围气体运动被加速,火焰的形状变得尖锐,亮度增加。实验定量地验证了梯度磁场可以诱导气体对流的发生,从而进一步推进扩散火焰燃烧反应。     

基于激光诱导荧光的高速飞行粒子低温段测温方法

针对当前高速飞行固体粒子在低温段测温困难的问题,提出了一种基于激光诱导荧光的固体测温方法来显示高速粒子飞行过程中的温度变化过程。使用掺杂罗丹明B染料的醋酸纤维粒子的600 nm荧光信号和激光的532 nm信号之比,能进一步排除激光光强波动对测温结果的干扰。对固体荧光粉末在20~80 ℃温度下的光谱学特征进行分析,研究发现:系统的荧光信号强度、温度灵敏度(80 ℃下温度系数为-0.012 5 ℃-1,20 ℃下温度系数为-0.037 9 ℃-1)、测量精度均随温度的下降显著上升,验证了该方法在低温段温度测量的应用潜力。基于该方法对高速气流下粒子撞靶的温度变化规律进行定性分析。      

速度梯度和近壁效应对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验 ,分析了速度梯度和近壁效应对圆锥四孔压力探针测量误差的影响 ,通过量纲分析 ,导出速度梯度系数这一相似参数 ,用于研究梯度引起的测量误差。实验结果表明 ,横向、纵向梯度分别引起偏转角、俯仰角测量误差 ,梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。速度梯度一般使静压测量值偏小 ,使总压测量值偏高。近壁引起的气流角和静压测量误差方向及大小 ,不仅和探针与壁面的相对位置有关 ,还和来流方向有关。近壁效应对总压测量影响不大。当探针头部中心距离超过二倍探头直径时 ,近壁效应的影响可以忽略。研究了近壁和梯度的综合对探针测量的影响 ,表明两者的影响不是简单的线性叠加。     

速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究, 分析了速度梯度、近壁效应和Re数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明, 横向梯度能引起偏转角测量误差;纵向梯度能引起俯仰角测量误差;梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比, 气流方向测量误差对速度梯度更敏感, 纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小, 使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外, 正速度梯度引起大的静压正误差, 负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小, 但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Re数使静压测量值偏大, 几何形状不同的探针Re数的影响范围不同。      

雾化激波管研制和煤油点火延时测量

为测量雾化煤油点火延时和得到火焰自发辐射光强分布,研制了雾化激波管和燃料雾化、进气系统。采用“管外预混”思想形成煤油气溶胶,通过连续进气和抽吸方法使气溶胶均匀分布,未出现明显的液滴沉降和壁面吸附。当点火温度为1000K,缝合接触面运行的实验时间大于10ms。由压电传感器PCB和光电倍增管PMT测量指定点压力、OH基光强时间曲线。利用Mie散射测量煤油气溶胶散射光分布,采用ICCD拍摄自点火发射光强。结果表明：该雾化系统可形成粒径为2～5μm煤油气溶胶。当压力为0．1MPa、温度为1300K～1700K,测得化学计量比≠=1．0煤油气溶胶点火延时τig为0．07—6ms,In（τig）和10000／τig近似呈线性关系。与气态煤油相比,该文高温点火延时和已有文献数据接近,但低温点火延时偏大,表明了低温下煤油点火的两相效应。     

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.      

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma-3．8超声速风洞中,采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布。PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求。本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理。实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布。     

倾斜圆管内空泡份额径向分布及形成机制

采用光纤探针测量方法,对倾斜圆管中气液两相流动的空泡径向分布特性进行了实验研究,并对其形成原因进行了分析.实验选用有机玻璃圆管内径为50mm,竖直倾斜角度为5°,15°和30°,液相折算速度为0.071~0.284m/s,气相折算速度的范围为0~0.05m/s.结果表明:随着倾斜角度的增加,空泡份额径向分布逐渐由"核峰"、"壁峰"分布向单一"壁峰"分布转变;通过分析气泡受到的横向升力、浮力径向分量和壁面力,发现升力、浮力、壁面力的共同作用,使气泡在圆管径向位置15mm与22mm之间处聚集,从而造成空泡份额沿径向呈"壁峰"型分布.     

壁面加热湍流标度律的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的流向速度和温度的时间序列信号，研究了壁面加热的边条件和不同法向位置的剪切作用对速度和温度增量的p阶结构函数的非线性反常标度律的影响，实验结果表明，壁面加热的边界条件不同法向位置的剪切作用对层次结构模型中间歇参数β和最奇异指数γ的影响明显存在，并初步分析了在具有强剪切作用的壁湍流中这种影响产生的原因。     

粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与 砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别 针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明：粒子分离器 进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率 降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m3范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面 反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。     

含铝HTPB固液混合推进燃料燃烧性能研究

为了研究铝粒子对HTPB固液混合推进燃料退移速率的影响,采用透明燃烧室实验系统,开展了含不同粒径(平均粒径分别为100nm,500nm和50μm)、不同质量分数(5wt%,10wt%和15wt%)的铝粒子HTPB燃料退移速率测试和分析,获取了燃烧室压力为1MPa下的含铝HTPB燃料的瞬时退移速率随氧气质量密流变化的曲线。研究结果表明,随着氧气质量密流的增加,含铝HTPB燃料的退移速率增加;当氧气质量密流为250~375 kg/(m2·s)和铝粒子含量为5wt%时,平均粒径为500nm比平均粒径为100nm和50μm的含铝HTPB燃料退移速率高;当铝粒子平均粒径为500nm时,含铝HTPB燃料的退移速率随着铝粒子含量的增加而增加。     

涡旋式等离子体反应器流场的试验研究

本文给出了用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测量涡旋式电弧等离子体化学反应器流场的实验研究结果。实验表明：这类等离子体反应器中，旋流切向速度分量和轴向速度分量径向分布划分成近轴，过渡和近壁区。喷入电弧等离子体射流对等离子体反应器流场的影响区域是近轴区，对过渡区和近壁区没有影响。提高旋流强度，轴向载面上旋流的两个速度分量轻向分布分别呈相似的分布形式，等离子体反应器呈层流流动状态。     

燃烧室头部两相流场实验研究

本文采用 PDA对燃烧室头部两相流动特性进行了研究,实验研究的模型燃烧室包括旋流器、喷嘴和火焰筒壁,保证气流结构与真实发动机燃烧室相似。实验对回流区内两相流场进行了细致的测量,给出粒子与气体速度分布。      

一种新型的非接触的变形场测量技术

数字散斑相关方法(DSCM)是一种新型非接触变形场测量技术。散斑是相干光被光学粗糙面或不均匀媒介散射而在空间形成的随机分布的光强场,它具有颗粒状特点。可认为物体表面随机分布着许多粒子,粒子在光照射下,反射光形成特有的光强场。DSCM是通过测量物体变形前后光强场概率统计相关性来确定物体变形。首先用光源照射试样,试样表面形成特定散斑图样,可用某一点周围微区内散斑子集的变形描述这一点的变     

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪（MPT）是测量粒子布朗运动的一种方法。在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进：在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的＂伪粒子＂;在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果。实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的＂伪粒子＂剔除方法合理、有效。     

基于MRV的菱形肋柱冷却通道三维全流场分析

在研究核磁共振成像测速（MRV）技术测速核心方法的基础上，成功实现了在10 min内对大宽高比肋柱通道200×100×25个空间点上三维全场速度的测量，并对流场结构进行了深入的解析。将MRV测得的通道中心截面速度分布与粒子成像测速（PIV）的实验结果进行了对比，两者吻合良好。利用MRV测得的空间三维速度分布解析了菱形肋柱与端壁附近复杂的三维流场与涡量场，发现端壁附近流体靠近肋柱时，先向下冲击端壁，仅在肋柱前缘两侧形成马蹄涡，随后绕过肋柱两侧尖角处向上抬升，端壁边界层内的涡，迅速演变为肋柱两侧尖角附近以及下游的剪切层涡。     

双油路离心喷嘴雾化油滴的平均和脉动速度场的实验

采用相位多普勒粒子分析仪对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化油滴的速度场进行了实验研究,得到了雾化油滴平均速度、脉动速度及湍流度的分布.实验结果表明:供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离x的增加平均速度和脉动速度呈凸形分布而湍流度呈下凹形分布;随着测点与喷口之间轴向距离z的增加,主、副油路共同工作时油滴的平均速度减小而脉动速度和湍流度增大.随着供油压力增加,油滴平均速度增加而湍流度减小.