基于BOS的过膨胀喷管出口密度测量

背景导向纹影(BOS)因其测试方法简单、测试区域宽、对流场无影响等特点,在超声速流场密度场的测量中有很好的应用前景。根据相关原理,搭建了BOS测试平台并对设计出口Ma=1.9处于严重过膨胀下的喷管出口密度场进行了测量。对实验获得的图像进行处理,获得了喷管出口区域内完整的定量密度场。运用计算流体力学对相同实验状态下喷管出口流场进行了精细的数值模拟。将其与实验结果进行了对比分析,发现实验结果与数值模拟所得的波系结构及激波强度都能够很好地吻合,特别在射流边界外的密度误差在1%以内。这证明了BOS技术能够在有复杂波系的超声速流场密度场测量中获得良好的结果,为超声速流场密度从传统的定性测量转变到定量测量提供了可靠的测试方法。     

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。     

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。     

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。     

高速聚焦纹影改进及应用

聚焦纹影技术能对垂直于光轴的特定平面内的流场细节进行显示,该特点使其成为近年来被重新研究的流场显示技术之一。本文在综合考虑了锐聚焦深度、非锐聚焦深度、灵敏度和清晰度等指标情况下,结合风洞实际情况,研制了一套聚焦纹影装置。主要在均匀照明流场、切割光栅的制作和不通过成像屏的高速相机直接记录等方面进行了改进工作,得到了较好的显示结果,并在小激波风洞上进行了相关的验证工作。同时,对采用聚焦纹影显示高速变化的流场也进行了探索,提出了相关的建议。     

凹腔燃烧截面波系及温度场同步显示研究

凹腔作为超声速燃烧室的典型构型,对燃烧状态下的相关物理量进行准确诊断,有利于定量分析和研究超声速燃烧的机理。相对此前采用激光纹影等通程积分密度场显示方法,研究设计了一套锐聚焦深度小于1mm的激光聚焦纹影,用于显示凹腔截面的燃烧流场波系结构;同时利用羟基平面激光诱导荧光（OH-PLIF）和聚焦纹影同步诊断同一截面的温度场和密度场。试验结果表明,所显示截面内的波系结构清晰,得到了更多流场细节,同时也标记出了该截面内氢气燃烧状态,二者具有较好的一致性。该同步诊断结果可以更好地了解剪切层在燃烧室的运动及燃烧发展轨迹,以及不同参数的氢气喷射对剪切层和燃烧状态的影响等。获取同一截面的波系结构和燃烧状况的同步数据,对于研究燃料喷射以及凹腔燃烧等具有一定的参考价值。     

高速复杂流动结构的视频测量

为了定量显示空腔高速复杂流动结构,采用均布的小圆点作为背景纹影(BOS)的背景点,利用视频测量(VM)成熟的小圆点图像定位与匹配技术,克服了现有图像互相关技术对BOS的限制;推导非平行光穿过流场的偏折位移/角计算公式,基于VM的共线方程,准确计算从背景点到相机摄影中心的光束穿过流场产生的偏折位移场和光程差场(OPD)。FL-21风洞的某空腔高速(马赫数为0.6~2.0)复杂流动结构的视频测量结果表明:本方法可清楚分辨出亚微米量级的光程差差异与微弧度量级的偏折角差异,定量显示空腔高速流动产生的波/涡/剪切层的位置、强弱及其相互关系,为复杂流动结构与气动光学效应的测量与显示提供新的途径,其光路简单、无需价格昂贵的相干光源,具有应用前景。     

轴对称欠膨胀羽流流场的分离系数矩阵解法和实验研究

本文对轴对称超音速羽流流场进行了数值计算和实验研究。数值计算方法是空间步进的分离系数矩阵差分法,并用粘性和无粘分裂法处理粘性问题。同时对同轴超音速喷流进行了流场观察和测量,所得纹影照片清晰地显示了尾喷流场的详细结构。计算结果在近场与文献[1]一致,在远场与本文的实验结果基本一致。计算实践表明,与中心差分格式相比,分离系数矩阵方法的稳定性好,精度高,捕捉的激波耗散小,且无数值振荡。     

预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建

旋流燃烧器的结构参数会对航空发动机燃烧室的燃烧过程产生影响，为了获取高分辨率的流场三维信息以分析旋流燃烧器对燃烧室燃烧性能的影响并提出优化策略，可通过背景导向纹影层析（BOST）技术实现复杂流动的三维折射率、密度和温度分布的瞬态重建。首先采用镜头等效光学系统和龙格-库塔光线追迹方法对光线偏折产生的畸变图像进行模拟，在此基础上采用光流方程重建模型对规则和复杂对象的折射率场进行了重建模拟，分析了图像偏移大小的影响因素，计算了测量体、焦距等设置参数对重建误差的影响，提出了背景导向纹影的优化测量设置方法。模拟结果显示采用优化设置参数后重建折射率场较好地展示了湍流旋流火焰的旋进射流、褶皱和涡旋等流场复杂结构。     

基于非接触测量技术的降落伞流场测试方法研究

在开口单回流式风洞试验中,采用由激光器、片光元件、光臂、激光脉冲同步器、CCD摄像机等组成的成像系统获取图像数据,再由帧抓取器和图像分析软件组成的分析与显示系统,获取了几种典型结构的模型伞尾流绕流场特性。试验结果表明,非接触式的粒子图像测速技术应用于降落伞流场测试试验是可行的,测取的数据真实准确;相比它接触性流场测量技术,具有可以全场瞬态的定量测量、仪器对流体干扰少、较高的精度与准确率等优点。     

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。     

冲击射流的彩虹纹影实验研究

超声速冲击射流在短距、垂直起降飞行器（S/VTOL）以及火箭发射等方面应用广泛,但是伴随着流场与噪声等诸多方面的问题。要研究这一类问题,必先研究这一类超声速流动的波系结构。文章利用彩虹纹影测量系统,对不同距离不同压比的冲击射流进行实验研究,得到了清晰的彩虹纹影实验结果,细致地呈现了冲击射流的波系结构。基于实验结果,对三种不同结构的冲击射流的波系结构进行了详细分析。发现喷嘴与挡板距离较大时,形成的射流结构与自由射流相似,壁面附近的射流区域不明显。随着距离减小,冲击射流出现壁面冲击区附近射流比较剧烈的现象。距离进一步减小时,出现滞止泡等结构,滞止泡的形状与压比相关。此外,实验表明冲击射流形成的马赫盘大小、形状与来流压比相关。     

纹影技术中光源的选择与设计方法

在纹影技术应用过程中,纹影光源的性能一定程度上决定了拍摄结果的优劣。不同种类的光源,得到的拍摄效果不同,对于某种特定拍摄需求,光源的选择和设计也不同。如何选择和设计合适的纹影光源,对于最终拍摄结果的好坏至关重要。结合纹影技术在工程实际中的应用,分析了不同被测对象对光源的需求,总结了几种常见光源的应用情况及其特点,提供了一种光源参数设计的方法。在实验室典型超声速自由射流流场测量中,对卤钨灯、氙灯和激光3种纹影光源的应用进行了对比分析。所提出的纹影光源的选择与设计方法,具有一定的工程实验参考价值。     

超音速细长梯形翼背风面流型

给出了前缘后掠６５°、双弧形剖面的细长梯形翼背风面流动显示结果。实验Ｍａｃｈ数为１．１０,１．５３,２．５３,３．０１和４．０１,攻角范围为５°～２５°。应用蒸汽屏、纹影和油流技术拍摄了空间和表面流型照片。蒸汽屏显示表明：在机翼背风面三角形区域的空间流型随法向攻角αＮ（在垂直于前缘的平面内流速与弦线间的夹角）和法向Ｍａｃｈ数ＭａＮ（来流Ｍａｃｈ数在垂直于前缘平面内的分量）变化,并可在αＮ和ＭａＮ为坐标的平面上划分出７种流型存在的区域。侧缘区有侧缘分离涡形成;后缘有尾涡拖出。从纹影照片与横截面上的蒸汽屏照片对照可获得机翼锥面激波位置随Ｍａｃｈ数的变化;以及激波－诱导分离线位置随Ｍａｃｈ数和攻角变化曲线。机翼表面油流谱显示出了主再附线、二次分离线、二次再附线和侧缘涡区。显示出的流型与其他有关实验和数值计算结果比较符合得很好     

超燃冲压发动机燃烧流场纹影图像无监督分割方法

超燃冲压发动机燃烧室流场纹影图像常存在大量噪声信号,如何高效、准确提取燃烧流场图像的主要波系结构成为当前亟需探索的问题。以超燃冲压发动机燃烧室内冷流到氢燃料点火阶段流场为研究对象,基于深度神经网络方法,发展一种燃烧室内流场的关键波系结构快速识别方法。首先,采用基于图论的超像素分割方法对纹影图像进行聚类分割,为语义信息明显相同区域分配伪标签;其次,设计了一种全卷积特征提取神经网络,并使用残差结构对各个通道进行加权,提取纹影图像高级语义特征;最后,使用交叉熵目标函数优化网络模型,并通过阈值滤波操作去除噪声像素点,提升语义分割效果。结果表明：与K-means及自适应高斯阈值方法相比,本文提出方法在准确率、召回率、F1分数和交并比指标性能明显是最优的,能够准确完成燃烧流场纹影图像语义分割任务,可以更加清晰地反应流场内的主要波系和剪切层结构     

Characteristics of pulsed plasma synthetic jet and its control effect on supersonic flow

The plasma synthetic jet is a novel flow control approach which is currently being studied. In this paper its characteristic and control effect on supersonic flow is investigated both experimentally and numerically. In the experiment, the formation of plasma synthetic jet and its propagation velocity in quiescent air are recorded and calculated with time resolved schlieren method. The jet velocity is up to 100 m/s and no remarkable difference has been found after changing discharge parameters. When applied in Mach 2 supersonic flow, an obvious shockwave can be observed. In the modeling of electrical heating, the arc domain is not defined as an initial condition with fixed temperature or pressure, but a source term with time-varying input power density, which is expected to better describe the influence of heating process. Velocity variation with different heating efficiencies is presented and discussed and a peak velocity of 850 m/s is achieved in still air with heating power density of 5.0 · 1012W/m3. For more details on the interaction between plasma synthetic jet and supersonic flow, the plasma synthetic jet induced shockwave and the disturbances in the boundary layer are numerically researched. All the results have demonstrated the control authority of plasma synthetic jet onto supersonic flow.     

轴向入射激波反射聚焦的实验和数值模拟

为研究两级脉冲爆震发动机凹腔入口宽度对第2级凹腔中激波聚焦过程的影响，设计轴向入射激波聚焦的实验系统，对不同入口宽度下激波反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟。采用纹影系统拍摄凹腔中的流场结构，并测量了凹腔顶点处的动态压力。采用保持强稳定性（SSP）的Runge Kutta格式、weighed essential non oscillation（WENO)格式和块结构网格自适应加密（SAMR）算法对激波反射、衍射和聚焦的过程进行了数值模拟，数值模拟结果和实验吻合较好。通过分析比较相同马赫数激波通过不同宽度凹腔的反射聚焦过程，发现较小宽度凹腔入口下激波反射和聚焦较强，顶点的压力峰值较高，激波聚焦诱导的射流较强。