PIV技术在降落伞绕流实验中的应用

本文利用PIV技术在风洞中对五种不同类型降落伞模型的绕流空间流场进行了测量，得到了绕降落伞的空间流场结构。PIV测量结果可以为数值模拟降落伞绕流流场提供可靠的数据，为降落伞的改进优化提供指导和依据。     

基于内窥式PIV的回流燃烧室冷态内流场测量

为了突破传统测量光路限制,实现对航空发动机三头部全尺寸回流燃烧室模型试验件内部冷态流场精细化测量,自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在自模区工况下对其内部冷态流场进行了测量调试。结果表明,在壁面之上预设内窥小孔即可实现测量光路布置,采用大焦距光学适配接口能够很好的解决相机内窥镜成像圈较小的技术难题。通过缩短相机内窥镜工作距离和采取多种消光措施大幅提高了测量空间分辨率和信噪比,最终实现了模型燃烧室内部冷态流场精细化测量,获得了内部流场结构信息。     

内窥式PIV测量技术研究

内窥技术与粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)相结合为航空发动机等受限空间内部流场测量提供了可能,本文针对内窥式PIV测量系统中激光内窥镜和相机内窥镜分别进行了详细介绍与探讨,并在现有的PIV基础上自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在解决系统存在的成像圈小、分辨率低、示踪粒子图像不相关、系统标定等难题后获得了较好的测量结果,在对同一稳态流场开展对比性实验研究后发现与常规PIV测量结果相比最大相对误差为1.6%。表明该测量技术具有较高的测量精度可应用于发动机实际工程研制中。     

大涡PIV方法测量水平矩形槽道内湍流耗散率

湍能耗散率的准确测量对工程实际和湍流的理论研究都有着重要的意义。以往的研究多是基于单点速度测量来估算单点的湍能耗散率或者有限体积内的平均值，而不能提供整个流场范围内的耗散率的分布情况。PIV能够测量瞬时流场的速度分布情况，它更适合于用来测量整个流场内的耗散率分布。本文分析了PIV测量得到的速度与单点测量方法之间的关系，提出了大涡PIV方法，运用大涡模拟中的亚网格尺度(SCS)应力模型，对PIV测量结果进行处理得到了水平槽道内的耗散率的分布。对采用不同SCS模型的结果以及量纲分析的结果进行了比较。     

基于PIV速度场测量的压强梯度计算

介绍了基于PIV速度场测量结果计算压强梯度的基本原理和3种不同的计算方法，并通过对流高斯涡模型系统研究了离散格式选取、PIV参数设置和流场特征等对压强梯度计算的影响.结果表明:PIV速度测量的精度是压强梯度计算的关键性影响因素，1%噪声对结果的影响比其他过程高约2个数量级；时间分辨率和空间分辨率的设置并非越高越好，而是有个合适的中间值；拉格朗日方法在大多数情况下优于欧拉方法，但当流动结构较复杂时性能较差，应根据流动类型和流场特征合理选取压强梯度计算方法.      

应用PIV技术测试模型环形燃烧室流场

采用粒子图像测速仪(PIV)测量带双级旋流器模型环形燃烧室内冷态和燃烧流场,试验研究不同进口气流温度对其冷态和燃烧流场内回流区的形成以及气流速度分布的影响,试验结果表明:燃烧室燃烧流场内回流区长度要比冷态流场短,燃烧流场的脉动速度明显大于冷态流场;另外随着进口气流温度增加,燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都稍有减少.      

拖曳水池随车式PIV技术的研究与应用

PIV(粒子图像测速)技术在拖曳水池中的应用面临诸多困难。与水池岸基式PIV相比，随车式PIV具有设置灵活、连续采集的优点。介绍了中国船舶科学研究中心(CSSRC)拖曳水池随车式PIV技术的特点与功能及其发展。介绍该系统的三个应用：高速水面船模支架周围流动观测；全附体下带与不带前置导叶、螺旋桨的水下回转体模型尾部区域流场测量及两种不同艉附体与主体连接形式的水下回转体尾部流场的测量。展示了该系统的发展历程及其在船舶流场研究中的作用与应用前景。     

回流燃烧湍流流场激光可视化实验

实验测量了钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场及其对应的冷态流场,分析了两种流场的异同点。利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对4种不同工况的冷热态流场进行了测量,得到了燃烧火焰内部的速度场和相应工况下的冷态速度场。结果表明,冷热态流场的速度分布总体相似,但与冷态流场相比,燃烧状态下流场回流区的中心位置升高,长度增加,最大回流速度减小,速度场变得相对紊乱。实验表明,在对湍流扩散燃烧流场作深入研究时,仅利用冷态实验来模拟燃烧状况是不能满足要求的。      

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究，经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(Digital Particle Image Velocimetry）系统，实现了速度场和涡量场的实时测量，而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中，其中包括：1.5M超声速喷流实验，三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验，大型工程水洞流场校测，绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等^[1-3]。     

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

空间流场实时测量处理系统

本文叙述了南京航空学院空气动力研究所ＮＨ－２低速风洞中以计算机为中心的空间流场测量、控制和处理系统的组成和特点，给出了系统配置图，对各子系统亦作了简要介绍。重点介绍了通过软件设计，使试验过程达到高度自动化和实时性；使测量的压力值处理后得到被测点的总压、动压和静压以及气流方向，并直观地提供了流场的流动特性。该系统为空间流场的定理测量提供了有力的手段。     

基于PIV技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

齐莫曼翼与反齐莫曼翼空间流场测量对比分析

在低速风洞内,分别对齐莫曼翼和反齐莫曼翼的气动特性进行了测量,并应用PIV测试技术测量了两种微型飞行器机翼的空间流场,给出了空间流场的速度矢量图、涡量图和流线图。通过对比分析给出了两种机翼气动特性产生差别的主要流动机理。     

跨声速风扇转子内流场三维PIV测量

在压气机试验台上开展了跨声速风扇转子内流场三维PIV测试技术研究。对跨声流场粒子跟随性、狭小空间光路布局、高速旋转件周向定位、三维标定等技术难点进行了攻关,发展了适用于高速旋转件内流场测量的三维PIV技术,获得了低转速及跨声速转速下工作点转子通道内部的详细流动结构,且与PSP测量结果吻合较好。本研究为跨声速压气机内流场研究提供了非接触测试手段,同时研究成果也为数值模拟及压气机设计改进提供了详细的试验数据。     

主燃孔对模型燃烧室流场的影响

为了深入了解主燃孔参数变化对双级轴向旋流器模型环形燃烧室内气流组织与气动性能的影响,采用PIV测速仪对该燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同主燃孔参数对模型燃烧室内回流区的形成、轴向平均速度u,轴向脉动速度Urms,雷诺剪切应力u′v′分布的影响。研究结果表明:主燃孔参数变化对燃烧室内冷、热态流场有着重要的影响;燃烧室在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短,但回流负速度、脉动速度和雷诺应力都明显大于冷态,所得的研究结果可为燃烧室优化设计提供有用的依据。     

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性，针对某型回流燃烧室单头部试验件，使用粒子图像测速仪（PIV），测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场，以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场，探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大，冷态条件下各截面流场结构基本保持不变，如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致，但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大，流场结构也基本保持不变；相同总压损失系数时，热态流场与冷态流场存在差异，燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响，速度较冷态流动时略微增大。      

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。     

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。