几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用

介绍了现代流动测试技术的特点、发展趋势及本课题组在流体动力设备研发方面的应用研究工作。主要工作有：热线风速仪技术(HWA)用于离心压缩机扩压器流场测试研究、用于湍流边界层的减阻控制研究；粒子图像速度场仪技术(PIV)用于叶轮机械动静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射流的研究；激光多普勒测速仪技术(LDV)用于风机叶轮流场的测试研究等。     

等离子体激励器流场测量及诱导推力实验

为了深入了解等离子体激励器流动控制原理,采用PIV技术获得了静止空气中的等离子体激励器上表面诱导气流及其末端引射气流流场的流速分布和流态,并对由此产生的诱导推力进行了测量实验;研究了等离子体激励器上表面诱导气流加速机理和尾部流场形态以及电极对数对诱导气流加速的影响,并与推力实验结果进行比较。研究结果表明,等离子体激励器上表面空气被诱导产生定向流动,并在多对平行电极的作用下被逐渐加速;诱导气流在激励器末端的引射作用形成射流,增加等离子体激励器电极对数可以增大该射流的流速;所产生的诱导推力也随诱导气流流速的加速相应增大。     

涡轮叶栅非定常实验的测量方法研究

阐述了实验测试技术的发展历程和现代测量技术发展的最新成果,比较了各种实验测量仪器的具体参数.而后分别利用激光粒子图像测速仪和热线风速仪测量了涡轮叶栅沿叶高平面和出口速度场的整场信息,分析了圆柱尾迹对下游叶栅流动性能的影响,以及不同相对叶高下叶顶和叶根的二次涡会合、脱离情况.研究发现,在较小的相对叶高下叶栅出口二次涡汇合,强度较大;而在较大的相对叶高下二次涡分离.同时,上游圆柱相对位置变化得到的最高效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的前缘附近,最低效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的流道中央.实验结果可为叶栅气动性能研究提供有益的参考.     

PIV,LDV在螺旋桨尾流测试中的比对应用

为验证粒子图像测速仪（PIV）技术在螺旋桨尾流场测试应用中的精度,在空泡水筒中,针对同一螺旋桨,在同一工况,同一时段,对螺旋桨尾流场开展了PIV和激光多普勒测速仪（LDV）比对测试研究.试验结果表明:两种测试技术在流场宏观量显示上得到了比较一致的结果,PIV技术同样可以捕捉到沿周向仅有8°的速度突跳,只是突跳值较LDV测试值小.PIV数据均值与LDV有2%～3%的偏差,进一步分析表明:提高PIV测试系统的定位精度可以缩小这种偏差.      

粒子图像技术测量带尾缘吹气静子尾迹特征

采用粒子图像测试技术(PIV Particle Image Velocimetry)和热线相结合的方法,对静子尾缘有无吹气条件下尾迹区流场进行测量,得到了不同尾部吹气量下的静子尾迹区的流场,通过测量得到了尾迹区的流动显示、速度矢量图和涡量图,并根据无动量亏损厚度确定了纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和射流四种尾迹流动特征。同时对PIV测试结果和热线测试结果进行了对比,两个实验结果比较吻合,验证了PIV实验的准确性,实验结果认为无动量亏损尾迹区与纯尾迹流动相比具有速度周向变化小和脉动小等特点。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性研究

利用激光粒子图像测速（PIV）技术在有机玻璃模型上对螺旋折流板换热器的壳程流动特性进行了实验研究。结果表明,螺旋折流板换热器管间流体斜向冲刷管束。管间流场中非稳定区的流体由于接近换热器的轴心,受三角区漏流的影响,流速沿轴线方向呈上升趋势,且具有较强的轴向速度。稳定区内的流体流动较为平稳,其切向速度较高,具有明显的旋流特征,是换热效果较好的区域。管间流场的流体具有沿轴线方向波动的径向速度,可以增加流体的扰动,有利于传热。在管束外围,折流板与简体之间的漏流会增加流体的轴向速度,而搭接区的漏流则使得流体的切向速度增加而轴向速度减小。漏流对流体流速的影响会沿着轴线方向不断减小,流体流速趋于稳定。     

应用激光相位—多普勒系统测量雾化液滴颗粒和流动特性

在几何光学近似理论的基础上分析了相位多普勒方法的理论模型和相位－粒径特性关系，分析了实验应用的光纤型激光相位多普勒系统的原理和组成，并应用此系统对雾化喷嘴的流动和颗粒特性进行了测量，得到了液滴的二维速度与粒径的相关和统计特性。     

附面层抽吸对叶栅表面分离流动控制的实验研究

以某高亚声速叶栅风洞为实验平台,运用粒子成像测速仪(PIV)对平面叶栅吸力面进行了附面层抽吸试验研究。验证了附面层抽吸技术在附面层分离流动控制方面的可行性和有效性。通过与数值模拟结果的对比分析,验证了本试验测量结果的可靠性。通过对不同抽吸位置处抽吸效果的研究表明:在同一抽气量下,合适的抽吸位置是控制附面层分离的重要因素。当抽吸位置处于分离起始点与严重分离区之间时,附面层分离才能够得到明显的抑制,流场结构得到显著的改善。     

流速测量方法综述及仪器的最新进展

对流速测量领域的技术和方法作了综述。特别对近现代的激光和图像测速技术进行了介绍，结合美国TSI公司目前流动测量仪器的特点对最新技术的具体实现也作了阐述，对各种测量手段进行了对比并介绍了应用范围。     

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

基于模糊核均值聚类优化的光流测速方法CSCD

光流算法作为一种载体速度测量方法,易受光照变化、物体相对移动影响,最终导致速度信息获取不准确。为了提高载体运动速度解算精度,提出了一种基于模糊核均值聚类算法优化的金字塔Lucas-Kanade光流测速方法(FKCM-金字塔LK)。该方法首先通过金字塔LK光流算法得到稀疏光流,然后使用模糊核均值聚类算法对稀疏光流数据进行聚类处理,最终建立光流与实验平台运动参数之间的关系,并得到准确的速度信息。实验结果表明,提出的基于模糊核均值聚类算法优化的金字塔LK光流测速方法不仅可以有效地减少物体相对移动对光流测速的影响,而且与现有其他光流测速方法相比,速度测量精度得到显著提高。     

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法

首先根据热力学、流体力学的基本定理对航空发动机轴承腔油气两相流动的相似性进行了数学推导,获得了弗劳德数、欧拉数、雷诺数、普朗特数和埃克特数等相似准则数,遵循系统几何相似和动力相似等相似准则建立了航空发动机泛结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型;并对实际轴承腔及模化轴承腔的油气两相流场进行了数值求解,模化轴承腔与实际轴承腔无量纲速度、温度和压力分布一致性较好,支持了提出的轴承腔油气两相流动相似准则和模化方法的可靠性.泛结构条件下轴承腔油气两相流动模化方法对于指导轴承腔油气两相流动试验设计及推进理论分析向航空发动机工程设计转化都有一定的参考价值.     

基于激光的便携式飞机装配接缝质量检测仪及应用

介绍了一种基于激光的便携式接缝质量检测仪的工作原理及硬件组成。使用该检测仪对飞机缝隙和台阶阶差进行了测量,通过与人工测量进行对比验证,证明了该装置可实现对特征三维信息的快速自动检测,工作准确可靠。     

PIV技术在复杂二相流场中的应用

光学元器件随飞行器在大气中飞行时,其工作性能越来越多地受到大气悬浮汇聚微粒的影响。大气微粒在复杂流场中呈现何种运动汇聚效应,对于合理准确评估机载光学元器件的工作效能具有十分重要的工程意义,而复杂气动流场中微粒分布状态的预估一直是飞行器外界环境研究中的一个难点。气动问题的复杂性、大气中微粒的多样性一直是制约各种试验手段展开、数值模型建立的主要因素。利用先进的激光粒子图像技术,在风洞中对舵面旋涡主导的复杂流场中的微粒速度及分布特性进行了实验研究。在测量舵面翼梢脱落旋涡特性的基础上,通过激光片光扫描流场全域,同时高帧频CCD相机同步曝光,利用PIV 拍摄到的流场中涡流截面内微粒分布的瞬态图像。结合图像后处理技术,对原始粒子图像进行互相关、二值化处理,通过对图像区域内的灰度值计算,统计相对流场截面内的粒子浓度系数,得到在复杂旋涡结构流场内瞬态粒子的分布特性规律。研究结果表明,利用大气中微粒在激光片光下的米氏散射原理,可以有效地拍摄到复杂流场结构下粒子光学散射及分布的特性图像,解决了传统环境测试设备无法对复杂条件下流场内粒子分布进行实时测量的缺陷;在旋涡为主导的流场中,大气中的微粒由向心力牵引,在涡核周围达到平衡运动状态,微粒环绕涡核形成一条环状带,这一区域中的粒子浓度系数要远大于自由流场中的微粒,涡核中心粒子呈“空洞”状态。     

基于改进容积卡尔曼滤波的惯性/光流组合自主测速方法

针对容积卡尔曼滤波算法在惯性/光流组合测速数据融合时出现由于各系统输出数据频率不一致导致融合精度有限的问题,提出了一种基于多速率残差校正的改进容积卡尔曼滤波算法.通过当前时刻误差估算组合导航系统残差,再使用估算后的残差对速度估计值进行补偿,最终实现惯性/光流组合系统速度测量值的数据融合.实验结果表明,通过提出的改进容积卡尔曼滤波对惯性/光流数据进行融合后,东向速度均方根误差为0.2964m/s,北向速度均方根误差为0.06m/s,与现有其他卡尔曼滤波算法相比,此方法可显著提高惯性/光流组合系统的速度测量精度.     

基于图像的测量方法在工业风洞跨声速流测量中的最新进展

风洞中非定常复杂流场的实验研究要求先进的测量技术.基于图像的测量技术中最重要的是测量平面流速度场、平面压强分布、模型位置和变形、模型温度以及定量的高速流可视化等技术.DLR(德国宇航研究院)对这些技术的应用包括从低速流到跨声速流、从增升装置到螺旋桨和旋翼、从弹射装置和水塔储水罐尾迹流旋涡到三角翼上涡破裂现象等的研究.由于跨声速风洞的特殊环境,将基于图像的测量技术用于跨声速流要求专门的技术开发和有经验的科学家.给出了DLR空气动力学和流动技术研究所将基于图像的测量技术应用于跨声速流研究的最新进展.     

球轴承接触角测量仪的动态不确定度

考虑球轴承接触角测量仪的自身动态特性、轴承外圈的试验转速、试验加载力对测量仪测量精度的影响，建立了测量仪的动态不确定度计算模型。针对小样本试验测试结果，采用灰色理论的方法评价了球轴承接触角测量结果的不确定度。基于不确定度的分离原理，分离出测量仪的自身动态特性、外圈转速、试验加载力对测量不确定度的影响规律，建立了接触角测量的动态不确定度计算模型，并通过实际算例验证了模型。建立的测量仪动态不确定度计算模型可用于预测不同工况下的接触角测量不确定度，有助于及时对测量仪进行相应的校准，以提高接触角测量结果的精度。      

声衬流动声性能测量的流管实验装置设计及调试

管道风扇声衬优化设计的重要环节是实验验证所设计的声衬结构在设计的流动工况下能否具有所要求的声学性能,本文回顾了验证实验装置流管设备的发展历史,介绍了北京航空航天大学所建立的流管装置的结构和工作原理,以及初步的调试,实验说明工作段流场均匀,无流动的声场满足波导管理论,初步调试表明该装置基本满足设计要求,调试是初步的,有、无流动条件的管口的声阻抗测量及其它有关流管的实验研究还有待进一步进行。      

小流量下周向弯曲叶片叶顶泄漏流动的PIV研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用PIV技术测量小流量工况下叶顶区域瞬态速度场。基于小流量压力峰值工况下的瞬态测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片叶顶泄漏涡的演化过程。结果表明：小流量压力峰值工况下,周向弯曲叶片叶顶泄漏涡存在瞬态特性,泄漏涡起源向前缘方向迁移,涡核在向下游发展的过程中不断破碎,沿端壁向通道中部迁移,并发生径向迁移;周向后弯叶片的泄漏涡较周向前弯叶片迁移明显,涡核破碎过程剧烈;周向前弯叶片有利于叶顶泄漏涡的控制。     

虚拟仪器的发展前景

介绍了电子测量仪器的发展趋势,虚拟仪器的特点,虚拟仪器中的PC仪器的发展和PC仪器应用前景。