聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用

为了在激波风洞试验中满足流场的密度场定量测量、三维流场显示和大视场观测,发展了聚焦纹影显示技术.该技术具有对流场区域进行聚焦显示的特点,获得的流场信息主要反映某个测试区域的特性.笔者对该技术的原理、系统组成、调试情况以及风洞试验结果进行了介绍.调试和试验结果表明:(1)该系统灵敏度高,获得的照片清晰,使用激光光源时不受衍射和干涉噪声的干扰;(2)该系统可以获得急剧聚焦深度小于5mm、测试视场(100mm的聚焦纹影图像,通过改变成像平面位置可以获得不同区域的聚焦纹影图像;(3)静态和动态聚焦纹影图像灰度变化数据将为某聚焦区域密度定量值计算奠定基础.     

多点压力扫描阀系统在测量大型复射流流场中的应用

一种由微机控制的测量速度和压力的快速扫描阀系统已经用于双流道氧枪复射流流场中。在氧气炼钢转炉中为了使 CO 进行二次燃烧,必须使用双流道氧枪。为了研究双流道氧枪复射流特性,在射流完全发展区沿直径方向放一根测杆,在测杆上排列着96支皮托管。皮托管末端的总压管和静压管用塑料软管分别与扫描阀中的4个压力传感器相连接,在16秒钟内扫描阀能自动扫描192个测压点。结果,总压、静压和速度分布能立即显示在 CRT上。为了获得高的测量精度,压力传感器的零点漂移能由软件来消除,同时每支皮托管都用 DANTEC 标定设备进行了速度标定。该测量系统也能用于其它工业规模的流场,如大型风洞,喷气发动机,流化床等。     

皮托管测速技术在低速水洞流场校测中的应用

将皮托管测速技术成功用于大型低速水洞流场校测.通过采取一系列技术措施,有效地提高了皮托管测量低水流速度的可靠性和精度.经测量精确度分析以及与LDA结果比较,表明在水流速度0.5m/s以上,所采用的皮托管系统测量精度能够满足流场校测的要求.测量结果表明北航1.2m×1.0m多用途低速水洞实验段流速不均匀度和稳定性均达到设计指标.该工作为今后同类大型水洞流场校测探索出一条简单可靠的技术途径.     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性.采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制.     

运动激波绕尖劈流动的研究

在激波管中进行双尖劈二维外形的激波绕流数值计算和实验研究。入射激波Ｍｓ＝１．８，用激光全息双爆光技术定量测定各瞬时的密度场。计算采用欧拉方程和有限体积法进行离散并采用高精度的ＴＶＤ差分格式。计算与实验两者之间的比较，表明本文采用的计算方法对于解决尖点的绕流十分奏效；根据计算所获得的运动激波波系，能够判断局部区域实验测量的密度场梯度方向，从而使密度场的定量测定获得更可靠的结果。     

隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

在马赫数为2.5的等截面隔离段风洞中开展了无控制和安装T形涡流发生器两种情况的瞬态流场结构显示与压力测量的实验研究。运用常规纹影和基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）对两种不同状态的隔离段激波串三维流场精细结构进行了显示测量。结果表明:较传统纹影的测量结构而言，NPLS精细测量能够得到湍流边界层、激波串、分离区等细节结构。T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用，激波串前缘结构为分叉正激波，紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似。同时采用高频压力传感器对两种隔离段中激波串的壁面压力进行了测量，采用常规统计分析方法和差分平方累和方法对激波串压力分布、脉动及其上传特性进行了分析。分析表明，差分平方累和方法可以有效检测激波串的前缘位置。     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中 ,喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用 ,激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对收缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量 ,获取了射流轴线上的速度分布。从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间距与前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致 ,但是比该经验公式值低 5 %以上 ,表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

强激波阵面的非平衡结构研究

利用测量强激波波后N2+第一负系(0,0)带和(1,2)带的辐射,对强激波后振动温度历程的测量过程进行了探索,并利用Langmuir探针技术,在低密度激波管中对强激波后电子数密度历程进行了测量.测量和计算结果进行了对比.结果表明:N2+B2∑u+态的激发比振动能的激发更快;实验测得的振动温度有明显的周期性振荡;在激波速度7.65~7.85km/s、p1=1.33Pa、实验段内径0.8m下,实验有效时间只有约6.5μs,实验中的电子数密度不能达到峰值.在约10倍波前自由程的实验有效区域内,电子数密度的测量值与计算值吻合很好.     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.     

用激波-边界层被动控制降低运载火箭的脉动压力

一个箭头模型的跨声速风洞实验表明,用激波-边界层被动控制来降低运载火箭头部的脉动压力能获得明显的效果,自由流 M 数为0.87～0.88时,可使脉动压力系数△C_p%的最大值下降50～60%。实验得出了激波下方开孔表面的开孔率变化对脉动压力系数的影响规律:随着开孔率的加大,起初脉动压力系数的下降十分明显,后来△C_p%趋近一个极限值。结果还表明,在激波前采用45°前倾斜孔,在激波后采用直孔的开孔分布比全部采用直孔分布能获得更好的降低脉动压力的效果。所拍摄的纹影照片清楚地显示了采用激波-边界层被动控制后模型表面激波状态的变化。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

旋射流气波制冷机实验研究及数值模拟

针对目前气波制冷机的接受管开口端存在较多熵增因素从而制约制冷效率进一步提高的缺点,借鉴了透平膨胀机制冷机理,将现有气体分配器改型,融入旋射流作功机理,加大出流偏角,使射向接受管气体射流反冲膨胀作功,减少熵增、降低入射气体的射流速度,从而有效改善接受管入口端射流气体的流动状况,达到降低工质速度、减小总焓及提高等熵效率的目的.利用Godunov格式建立了管内非定常流动与管壁传热数学模型,对接受管内激波的流动进行了数值模拟,计算结果与实验测量值趋势相同,可为气波制冷机的改造、设计及优化提供参考.     

高超声速风洞来流扰动测量及数据后处理技术研究

来流扰动对高超声速风洞中开展的实验研究，如层/湍流边界层的不稳定性与转捩实验，有直接影响。为加深对高超声速风洞中边界层转捩实验的认识，需对高超声速风洞的来流扰动进行定性与定量的测量与分析。提出一种高超声速风洞扰动模态校测方法，使用热线风速仪和皮托管压力探头对高超声速风洞自由来流进行测量。在小扰动假设前提下通过模态离解分析，并结合直接数值模拟结果，获得风洞自由来流各扰动模态的幅值。运用德国不伦瑞克工业大学马赫数6 Ludwieg式高超声速风洞对该方法进行检验。实验结果显示:该风洞为典型噪声风洞，其来流扰动中声波模态高达扰动总模态的69%，涡波模态和熵波模态约各占15%。该扰动模态校测方法为高超声速风洞的流场扰动测量提供了一个思路，为基于高超声速风洞开展的实验提供了借鉴和参考。     

KrF激光对高速飞片的驱动特性研究

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子(248nm)激光驱动带有烧蚀层的平面靶,研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响,结果表明激光不均匀性在2%以下,能够产生完整的高速飞片,且完整飞片能够维持20ns以上不破裂;当激光不均匀性达到5%,激光引入流体力学不稳定性种子应很强,冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强,到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化,不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度,采用激光与烧蚀层参数不匹配方法,使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012 W/cm2的KrF激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用,得到速度约10km/s的高速飞片,与模拟结果吻合得很好。     

激波过弯道绕山坡对三维物体的冲击效应研究

采用全息干涉技术在高速流态试验装置 (激波管 )上研究了激波过弯道绕山坡到达三维物体的整个过程的流场 ,还采用传感器压力测量技术对三维物体表面的压力分布进行了定量测量。结果表明 ,激波对三维物体与山坡的接合部、物体背风面及其拐角位置的影响是最大的 ;对于研究爆炸冲击波在复杂地形下对建筑物的冲击载荷有重要意义。     

光内送粉激光熔覆工艺参数对单层熔覆质量的影响

针对现有的激光熔覆快速制造过程中偏王侧向送粉和多粉管光外同轴送粉熔覆成形工艺的不足,提出了一种"光束中空,粉管居中,光内送粉"的新型激光熔覆快速制造工艺,可应用于金属零件激光熔覆直接制造领域.研究了光内送粉试验关键工艺参数,如光束输出模式、激光功率密度、送粉量、扫描速度和离焦量等对熔覆质量的影响;在多模激光束模式下,探索了不同工艺参数与熔覆层质量的关系,为多层熔覆薄壁墙成形试验打下良好的基础.     

地下结构模型试验的光学激波管

光学激波管是进行抗爆结构试验研究的一种新型动载设备,它除具有常规激波管的通过电测手段测试试验结构物上一点或多点的应力、应变、速度等力学参数外,其突出的特点是通过光测手段能够拍摄试验结构物在冲击波动压作用下连续变化的过程和被破坏形态的清晰物理图像,进行地下结构的抗爆研究。本文较详细地介绍了用于地下结构抗爆试验研究用的光学激波管设备的构造和测试手段以及设备调试和应用试验的情况,最后还公布了用该设备拍摄到的激波进入通道后波后新物理现象的彩色波动照片及用该设备做的部分试验研究成果。     

电热破膜激波管及其PLIF测量系统的研制

探讨了用Nd:YAG脉冲激光器作为泵浦光源对激波管内瞬态非定常流场进行平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)测量的时序同步问题.由于该激光器需要预热以获得稳定的倍频输出,作者研制了低压大电流的电热破膜装置,实现对激波产生时机的控制.在大尺寸矩形截面的激波管上搭建了PLIF测量平台,并在此平台上进行了丙酮示踪流场显示和氢氧基分布测量.     

激波绕楔形物体的流场分析

使用数值计算方法和数值干涉技术并结合实验干涉图片,分析了激波过拐角绕楔形物体运动的流场.并采用数值彩色干涉技术,将数值计算结果转换为彩色条纹编码的数值干涉图,并与实验干涉图比较,可以辨识过激波发生跳跃后的干涉条纹的位移数,从而确定实验干涉照片的密度场.数值计算采用显式二阶迎风TVD格式.采用数值干涉技术将计算密度场转化成数值干涉图与实验干涉图进行了比较,检验了数值结果的可靠性.数值计算结果显示了包括激波、接触间断和旋涡在内的详细的流场结构,与实验相比,更为细致地刻画了流场演变过程的细节.通过数值计算结果观察到激波传播到旋涡中心附近并没有发生明显耗散,旋涡上半部的激波得到减速,下半部分的激波得到加速.