航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能，基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中，每种技术都有其局限性和适用范围，需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点，选择合适的激光诊断技术。在温度测量中，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量，单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%；高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法，但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中，粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量，羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量，HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中，主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering，SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

长波通滤波器的研究

用激光照射掺有碘分子的流场，感应的碘分子荧光包含着流动参数如速度、压强、温度和密度的信息，可用其来对这些参数进行测量。但荧光信号通常很弱，在没有合适滤波器的情况下，测量的信噪比是差的。为了去掉作为噪音的散射的激光和背景光，设计和制造了长波通滤波器，它们具有高质量性能，相应的测量有好的信噪比。     

平面激光诱导荧光显示火焰中OH的分布图像

用平面激光诱导荧光技术测量了平面火焰炉、原子气化炉和超声速燃烧室的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的厚度。由超声速燃烧室的OH荧光测量 ,可以看出不同时间OH分布的差别。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度，常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求，飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging，FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统，分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱；基于FLEET测速系统，在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验，通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场，开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验；研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加，荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散；FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低，但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致；FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。     

利用三维激光测速方法研究悬停状态下的桨尖涡

利用三维多谱勒激光测速仪，对悬停状态下模型旋翼桨叶附近的流场进行了实验测量。研究了悬停状态下桨盘附近的流场特征、旋翼桨尖涡的形成和发展，以及桨尖涡对后续桨叶的影响     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

涡轴发动机燃烧室头部流场试验研究

对涡轴发动机短环直流燃烧室进行了突扩区和火焰筒头部间流场试验研究。采用ＬＤＶ多谱勒激光测速仪测量了燃烧室头部的时均速度场和各测量点的紊流强度，并绘制了流谱。通过对七种不同结构方案扩压器进行试验，研究了几何参数和前置扩压器出口气动参数变化对突扩区和火焰筒头部间速度场以及各点紊流强度、旋涡位置与大小的影响。通过流场分析找出各参数对燃烧室性能影响的规律。本试验结果可为涡轴燃烧室的优化设计提供可靠的有应用价值的试验依据。     

利用双焦点激光测速仪测量小型风洞中单个叶型绕流的试验研究

为了验证各种气体动力学数值计算方法的可靠性,在小型风洞中对单个叶型绕流进行了一系列测量,利用双焦点激光测速仪(L2F)和测取叶型表面、壁面静压对全亚声速流场及含有激波的跨声速流场进行了细致的研究,同时还进行了激波振荡现象及探头对流场的影响的研究。获得的结果不仅可以用于检验描述流动的各种数值模型的正确性或可靠性,同时也为进一步发展数值模型提供了实验数据。通过在简单流场中的测量,积累了一些经验,例如激波前后移动现象的判析与处理,有利于今后在复杂流场中的测量。     

冲击射流火焰流场的LDV实验研究

搭建了基于激光多普勒测速仪（LDV）的冲击射流火焰流场实验平台，开发了固态粒子发生器、粒子回收装置和精密位移机构等装置，对单孔喷嘴（功率200W）、同轴喷嘴（功率1200W）的自由射流火焰流场和冲击射流火焰流场进行高精度测量，测量数据具有较高的准确性和可重复性。在冲击射流模式下，利用多个位置点的平均速度分量测量值进行流场重构，获得了冲击射流火焰流场基本特征。实验发现:在靠近冲击壁面区域距中心滞止点约1倍喷嘴直径处出现水平方向速度峰值，该点处可能会形成短冲击距离下换热强度的第二次峰值。在同轴射流工况中，外环同轴射流和中心射流间存在一个内部剪切混合层:在自由射流火焰模式下，该混合层随着射流的发展而耗散；在冲击射流火焰模式下，由于受到滞止区的作用，混合层向外扩张。     

低密度烧蚀材料在中高热流环境应用的试验研究和理论预测

低密度烧蚀材料是为解决飞船再入过程中高焓、低热流长时间飞行热环境的防热问题开发的防热材料。随着新工程项目的开展，低密度烧蚀材料被要求应用于中高热流的新环境下。在电弧风洞上开展了低密度烧蚀材料在气流恢复焓为18MJ/kg，冷壁热流为720kW/m2的高焓、中高热流条件下的防热性能考核试验。试验中改进了传统的水冷框方式，水冷框与试验件之间增加了高性能隔热材料，避免了侧向热泄漏，提高了试验结果的准确性。试验结果表明低密度烧蚀材料能够满足中高热流的加热环境。同时开展了低密度烧蚀材料的防热性能计算研究。低密度烧蚀材料的烧蚀机理复杂，根据低密度烧蚀过程的本体热传导-热解-炭化机制，不同区域和阶段分别采用对应的预测方法，改进了炭化烧蚀的计算方法。将理论预测结果同风洞试验结果进行了对比研究，结果表明理论预测同风洞试验结果一致性良好。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷，若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应，地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此，本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式，分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异，采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析，提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展.试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3.诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域.     

发射光谱诊断电弧加热器漏水故障的试验研究

电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时，由于其电极工作在高温环境，普遍采用高压水进行冷却，试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境，目前尚无有效监测手段。本文作者建立一套以氢原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）发射谱线作为目标谱线的发射光谱监测系统，通过分析电弧加热器故障条件和正常运行下高温流场中的发射光谱特性，诊断某高焓电弧加热器因烧蚀出现的电极漏水故障，并在考虑温度误差的前提下对该光谱测量系统测量灵敏度进行评估，获得了A、B两种试验状态下的漏水探测极限:A状态下约为1.85～0.94g/s；B状态下，2.12～0.98g/s。试验结果表明，发射光谱应用于电弧加热器漏水故障诊断是切实可行的。     

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀流场变化研究

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀试验技术是研究防热材料烧蚀特性的重要手段。为研究超声速湍流平板烧蚀过程中流场变化情况，采用数值求解二维N-S方程的方法进行试验流场模拟。从模拟结果看，未烧蚀模型外形流场模拟得到的模型表面参数结果与试验结果吻合很好。然后对烧蚀过程中的模型外形进行了流场模拟，并与试验流场进行对比，根据模拟结果分析了试验过程中模型表面压力和热流密度分布的变化。根据分析可知，如果平板模型烧蚀量最大的位置在初始高热流区内，可以采用该烧蚀量计算烧蚀速率。     

电弧风洞中基于TDLAS的气体温度和氧原子浓度测试

电弧风洞是对防热材料/结构进行地面考核的关键设备,其流场参数是评估设备性能和品质的关键数据。由于高温气流的恶劣环境,尚无有效诊断手段。本文使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS),针对气流中氧原子,选用氧原子特征吸收谱线(λ=777.2nm),测量了电弧风洞中水冷平头圆柱体模型脱体激波后的气体温度和氧原子数密度,试验测量与工程计算结果较为一致。试验显示出TDLAS具有高温电弧风洞应用的潜在优势。     

基于光源拼接的大视场聚焦纹影技术初步研究

随着风洞试验技术的发展，模型尺寸不断增大，大视场流场显示技术显得日益重要。传统纹影等流场显示技术受光学元件尺寸的限制，流场显示视场难以超过Φ1.0m。在聚焦纹影技术基础上，提出使用可拼接的LED光源或其他光源替换菲涅耳透镜，流场显示视场很容易超过Φ1.5m。在解决光源均匀照明、散热等问题后建立了一套视场为Φ150mm的原理性装置，清晰获得了蜡烛火焰及热吹风流场聚焦纹影图像。同时，可以在此类聚焦纹影系统中放置多套聚焦透镜，实现更大测试视场或不同截面的流场显示；在大视场流场显示中，需要在光源之后增加聚光镜等以提高光源利用效率。     

高温热管在热防护中应用初探

介绍了高温热管在热防护中的应用原理,并利用电弧加热风洞产生的高温、高速气流,模拟高超声速飞行器高温区的气动加热环境,对一种装有高温热管的简单的球柱形原理性模型进行了加热试验.利用高温红外测温装置对模型表面的温度进行了测量,通过与普通复合材料制成的模型试验结构的对比分析,发现高温热管能够有效地将模型高温区热量传导到低温区.装有高温热管模型的驻点温度明显降低,显示出了良好的防热效果.     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

3 m×2 m结冰风洞热流场品质提高及评估

结冰风洞热流场品质符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为明晰制冷系统性能升级优化对3 m×2 m结冰风洞热流场品质的影响,开展了热流场符合性验证试验,评估了热交换器出口和试验段两位置处热流场品质,给出了气流总温修正关系,形成了热流场控制包线。结果表明:热交换器出口和试验段模型区内热流场品质在主要试验工况下均优于SAE ARP5905指标;与升级优化前（2019年）试验结果对比,优化后试验段模型区内热流场空间均匀性显著增强,尤其在高风速、低总温工况下,模型区内均未出现超标的非均匀峰值点。结冰风洞制冷系统的升级优化显著扩展了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线,增强了结冰风洞试验模拟能力。