非定常风沙流中风速脉动对沙粒相瞬时浓度影响的实验研究

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像.根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量C.获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化.实验结果表明,风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的,其变化频率至少在100Hz以上.风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应,大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关,粒径越小,风速脉动作用越大.当粒径≤160μm时,风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动,二者高度相关.当粒径较大的时候,如300~500μm,只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化,研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义.     

正弦型来流条件下大气表面层特性的研究

导出了正弦来流条件下的大气表面层平均风速及湍流强度的计算式.在环境风洞中使用粒子图像速度仪(PIV)对正弦来流条件下的大气表面层平均风速廓线和湍流强度进行了测量.结果表明:正弦型来流条件下所模拟的大气表面层在不同高度上风速均呈正弦规律波动,测量得到平均风速与导出计算式结果一致,相当于在定常风速廓线基础上叠加一个周期与主流风速一致、振幅随高度变化的正弦波动函数.每一个相位的湍流强度沿高度的分布均与定常来流条件下的湍流强度有着相似的变化规律,且湍流强度的大小随相位变化呈现一定的波动性.     

热膜探头在风沙迁移研究中的应用

针对目前风沙动力学研究中风速高频测量的需要,将55R49热膜探头应用于风沙两相流测量.通过风洞实验,分析该探头测速性能和频响特性,以及风沙流环境测速的可行性.结果表明:在20m/s风速范围内,55R49具有良好的测速性能,测量风速脉动频率在30Hz以内是可信赖的;在沙粒质量浓度1.8625 × 10-5g/cm2以内,可安全可靠地用于风沙流测速和频率分析.在塔克拉玛干沙漠进行野外观测,使用该探头在阵风条件下进行风沙两相流测量.实测结果符合风沙环境大气边界层速度和频率分布规律,证实了55R49是一种性能优良的风沙流高频测速仪器.     

风沙两相流动光学测量及图像处理技术研究进展

介绍了自风沙动力学诞生以来所使用的各类光学测量方法,阐述了各种方法的优缺点和适用范围,针对最新光学测量技术在近代风沙两相流研究中的重要作用,着重介绍了PIV、高速数字图像测量及其图像处理技术在风沙两相流中的应用,指出光学测量在时间和空间的解析能力上的持续增长将为沙粒微观力学解析和风沙流宏观统计规律获取提供充足的支持.     

双极性等离子体激励器圆柱绕流控制实验研究

在低速风洞中利用多级双极性等离子体激励器控制圆柱绕流的流动分离.实验风速U∞=10m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=2.8×104,在实验中将两组三级双极性等离子体激励器布置在圆柱模型肩部,利用粒子图像测速技术测量圆柱的尾流场.实验结果表明,采用定常和非定常激励均能抑制圆柱尾迹区,等离子体激励强度是影响激励器对圆柱绕流控制能力的重要因素;非定常脉冲激励耗电少,对流动控制能力强,效率明显高于定常激励,脉冲激励频率影响等离子体激励器对流动的控制能力.在实验风速为10m/s时,脉冲激励频率与圆柱涡脱落频率一致,流动控制效果较好.     

体育场内风环境特性实验

本文介绍1∶200体育场缩尺模型风环境特性低速风洞实验研究。文中给出了自由来流在不同速度和各种风向条件下运动场上离地6毫米高(模拟全尺寸体育场风速测量装置距运动场地面1.22米高度)的风速和风向分布,测量结果表明,运动场上风向一般与来流风向不一致。风速测量表明,运动场上风速通常是在自由来流速度的1/3以内。研究结果说明,体育场内气流湍流度对风环境特性有很大影响。     

D300mm×2000mm圆管内旋转流切向速度特征的实验研究

采用热线风速仪(HWA,Hot Wire Anemometry)测量了D300mm×2000mm圆管内旋转流切向瞬时速度随时间的变化特征.测量结果表明在圆管的中心区域,瞬时切向速度随时间的波动变化较大,而靠近边壁区域瞬时切向速度随时间的波动变化较小,中心区域瞬时切向速度的脉动幅值远大于壁面区域的脉动幅值.通过对瞬时切向速度进行频谱分析可知,瞬时切向速度的波动频率沿径向和轴向基本一致,但在出口区域频率有所增大,圆管内的瞬时切向速度出现低频波动是旋转流的摆动导致的.     

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。     

沙粒蠕移运动速度测量及其统计分析

对大气边界层风洞中沙粒蠕移运动进行了高速光学测量并获取了数字图像序列.经过非负图像减法、自动阈值法及双向粒子追踪算法的依次运算,提取了足量的有效蠕移运动轨迹.从轨迹信息中获取了蠕移速度并进行统计分析,结果表明了以起动方式划分的两种蠕移运动的比重特性及其随摩阻风速的变化规律:流体起动蠕移代表整个蠕移运动的稳定变化部分,而碰撞起动蠕移代表动态变化部分;随着摩阻风速增大,前者比重减小,后者比重增大;在摩阻风速超过临界值之后,蠕移运动的主导形式从流体起动转化为碰撞起动.     

T型尾翼颤振模型光学测量实验与弯扭特性解算

在FL-26跨声速风洞半模试验段进行了某高速飞机T型尾翼颤振模型的光学测量实验,并依据测量结果解算了尾翼颤振模型的弯扭特性.颤振模型表面用白色圆点进行标记,用于记录模型表面的位移变化,两台固定在风洞试验段上壁板观察孔旁肋板上的400万像素工业相机用来采集图像,采集到的图像通过自主开发的图像解算软件进行图像的识别与求解,计算出尾翼颤振模型表面标记点的三维坐标.模型表面标记点的三维坐标通过坐标变化转换到风洞气流坐标系中,利用不同时刻模型表面坐标的变化计算模型剖面扭角和弹性轴位移的分布.T型尾翼右平尾图像采集实验与弯扭特性计算结果表明,非接触光学测量技术可以用于高速颤振试验的定量分析中.     

高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究

示踪粒子的跟随响应能力是影响高速流动PIV测量精度的重要因素。针对法向马赫数大于1.4的高速流动所提出粒子松弛特性分析模型，结合理论分析与数值模拟方法，发展了高速流动下的示踪粒子布撒技术，提高了PIV技术定量化测量能力。基于上海交通大学多马赫数风洞，以不同粒径的氧化钛颗粒作为示踪粒子，利用PIV技术观测Ma4的高速流动诱导的一道22°激波，结果显示30nm粒径的示踪粒子有更优秀的跟随响应能力；并以该粒子进行了不同条件下（包括斜激波与脱体激波）的跟随性实验验证，为高速流动PIV示踪粒子选择提供了实验支撑。     

高速铁路挡风墙防风沙效果研究

正在建设的兰新第二双线是世界首条穿越大风区的高速铁路.线路穿越风区最大瞬时风速达64m/s,并伴随大量沙砾,严重威胁列车运行安全.如何在大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全,避免沙砾侵道、击碎车窗玻璃成为兰新第二双线亟须解决的重要问题.本文通过数值计算、风洞试验和现场试验等方法,开展了挡风墙对列车的防风沙效果研究,研究结果表明:距轨面高2.5m以上的挡风墙对列车有较好的倾覆防护效果,防沙效果也较好,但对受电弓和接触网的接触安全防护效果较差,需要另外采取措施,确保受电弓和接触网的接触安全.     

伴有滑动床的水砂浆体倾斜管道流动研究

为进一步研究伴有滑动床的倾斜浆体管道砂颗粒输送规律，应用力平衡理论，研究了悬浮层、滑动床层速度以及滑动床厚度求解方法，由此给出了倾斜管道淤积临界速度迭代求解方法。同时，应用悬浮层剪应力线性分布假设，并借助普朗特经验公式，给出了滑动床上方速度分布模型。粗砂管道水力输送实验数据表明:（1）淤积临界流速与颗粒粒径和输送浓度负相关，输送浓度不变时，淤积临界流速与管道倾角大小正相关。与模型计算结果对比表明淤积临界速度计算值和实测值最大偏差为13%；（2）随着管道倾角增加，最大速度点位置有向上偏移的趋势。与计算结果对比表明上层速度分布理论模型计算值和实测值偏差不超过10%。结果表明力平衡理论和剪应力线性分布假设能够较好地用于伴有滑动床的倾斜粗砂浆体管道淤积临界速度和滑动床上方速度分布预测研究。     

砂尘在典型金属壁面上的反弹特性仿真研究

含有砂尘的空气吸入发动机,会与叶片、内外机匣之间不可避免发生碰撞,影响飞行器飞行安全。通过采用显式动力分析有限元法,建立砂尘以不同入射角度、入射速度、粒径大小及其旋转速度撞击壁面的反弹模型,研究砂尘在不同条件下与不锈钢及铝合金面碰撞后的反弹特性结果,为预测砂尘在粒子分离器中的运动轨迹提供反弹特性数据支持。结果表明:随砂尘入射速度增大,反弹速度呈增大趋势,速度恢复系数基本保持稳定;相同入射条件下,铝合金材料对砂尘速度恢复系数的影响小于不锈钢材料;旋转速度、砂尘粒径对其碰撞反弹特性影响微弱,可以忽略不计;决定砂尘反弹角度仅取决于碰撞姿态和砂尘入射角度。     

连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题.以试验段尺寸0.6m×0.6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径.该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术.     

基于TSP方法的自然层流机翼转捩位置测量

为验证某层流机翼的设计，在荷兰DNW-HST风洞开展了高速风洞试验，采用TSP方法对机翼表面边界层转捩位置进行了测量。试验结果表明:TSP方法用于探测自然层流机翼表面转捩位置非常有效，显示结果中层流和湍流区域明显，转捩边界清晰易辨。同时发现，试验对机翼表面光洁度要求很高，试验结果对机翼表面污染非常敏感，高雷诺数下，受机翼前缘污染影响，试验效果不佳。     

进气道整流罩全尺度动态分离试验研究

进气道整流罩可以有效避免低马赫数飞行条件下进气道不起动的问题，在高速飞行器中得到广泛使用。整流罩分离过程直接关系到飞行器安全，在地面进行全尺度整流罩分离过程试验验证非常必要。利用JF-12激波风洞设备结构简单、尺度大和动压较高的优势，推导了适用于高速动态分离试验的相似准则，发展了高速分离轨迹观测技术、精确时序控制技术以及必要的风洞防护措施，建立了基于JF-12激波风洞的高速动态全尺度分离试验技术。利用该技术，针对配有进气道整流罩的飞行器前体，以50kPa动压试验条件实现了高动压（100kPa）条件下的动态分离轨迹模拟。     

运用激光全息术和PDPA测量喷射燃料粒子场

为了获得发动机燃料喷射雾化特性,运用PDPA和激光全息术对喷嘴的燃料雾化粒子场进行测量.简要介绍了两种测量方法的原理和应用条件,对两种方法的测量结果进行了对比,验证了激光全息术测量结果的精度.最后在风洞实验条件下进行了喷射燃料粒子场测量.     

土壤槽三分量天平

本文通过实例表明,常规风洞测力天平移植于对沙漠的研究是成功的。设计排除了土壤的自重影响,天平有较高的灵敏度,整机可根据不同土壤槽而升沉,是研究沙粒迁移的较好工具。