旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量,揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性,这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明,对于未破裂的边条涡,存在着两种非定常特性,其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡,则发现与未破裂的涡相比,截面上涡量分布的区域突然扩大很多,最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量,这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。     

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。     

可压缩湍流圆孔射流的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了可压缩湍流圆孔射流问题,射流的马赫数为0.9,雷诺数为36000.分析了射流的剪切层不稳定性过程,研究结果表明,沿剪切层的对流马赫数小于0.6,剪切层中的扰动涡在初始阶段沿周向呈管状结构.剪切层的不稳定性过程分为3个阶段,即增长阶段、失稳阶段和混合阶段,剪切层的增长速度在失稳阶段最慢,射流流场的湍动能峰值出现在剪切层混合阶段.     

低旋流数旋进射流流动特性的PIV实验研究

采用粒子图像测速技术,研究了当雷诺数Re=4.5×104时低旋流数旋进射流的流动特性。针对3种不同旋流数（S=0、0.26和0.41）,对比分析了时均流向速度场、流向速度脉动强度场以及时均涡量场的变化规律。实验测量结果表明:随着旋流数的增加,流向速度大小及其脉动强度沿流向衰减加剧,而射流中心线上的速度脉动强度增强;因腔体壁面空间限制而产生的回流区向上游移动且尺度变小;外剪切层中旋涡的流向发展急剧衰减而内剪切层内的旋涡几乎不受影响。此外,结合速度谱和典型时刻的瞬态流场特征可知,旋流数增大后,旋进频率增大,而旋进现象发生的起始位置向上游移动,使得旋进偏转角度增大。     

氢燃料超燃燃烧室流场结构和火焰传播规律试验研究

采用试验方法研究了不同当量比条件下的氢气燃烧流场结构和火焰传播规律。采用壁面测压、纹影、差分干涉、火焰自发光照相以及OH-PLIF等测量手段获取流场信息，并发展了纹影、差分干涉和PLIF同步测量的试验方法，获取了流动结构和火焰的耦合测量结果。结果表明:在所研究的5个状态中，当氢气当量比大于0.17时，燃烧流场结构不稳定，火焰分布呈现破碎状，火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播；当氢气当量比小于或等于0.17时，燃烧流场结构稳定，火焰呈现连续分布，火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。     

本生灯法结合纹影技术测量甲烷/空气层流燃烧速度及流场分析

层流燃烧速度是确定燃烧传播模型和验证化学反应机理的关键参数。搭建了本生灯实验系统和纹影实验系统用于探究甲烷预混层流燃烧特性，通过本生灯法和纹影技术测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场，并且探究了当量比及氮气掺混对层流燃烧速度和火焰外部流场的影响。研究发现，当量比对甲烷层流预混火焰燃烧特性有着重要的影响，随着当量比的增加，层流燃烧速度先增大后减小，锥形火焰高度先减小后增加，火焰外部流场开始逐渐趋于稳定；氮气掺混对层流燃烧速度起着降低的作用，且掺混的氮气越多，层流燃烧速度降低幅度越大；掺混氮气后火焰高度增加，但是火焰外部流场变得更加紊乱，难以稳定。     

流动诱导空腔振荡及其声激励抑制的实验研究

实验研究了矩形空腔在外部高速气流作用下诱导的空腔内流支振荡问题，以及从空腔前缘加入纯音声激励以抑制空腔内流动振荡技术。实验发现，在一定的气流速度和空腔几何尺寸下，空腔内流动会出现强烈的自持振荡。采用前缘声激励，在某些声激励频率和适当强度下，通过控制腔口前缘剪切层的初期发展，可使原来处于振荡状态下空腔内的脉动压力级峰值降低１４ｄＢ以上，线性总声压级降低５ｄＢ。     

跨声速空腔剪切层动态特征传播特性研究

开式空腔流动发生时,剪切层内旋涡运动与腔内前传声波相互作用,引发空腔自持振荡现象。针对长深比为7的开式空腔,采用脉动压力测试技术,在Ma=0.9来流条件下开展腔内剪切层动态特征试验研究,通过频谱分析和互相关分析,揭示剪切层动态特征发展机制和模态噪声传播规律。结果表明：剪切层内单调增大的宽频噪声和类余弦分布的模态噪声相互叠加,使剪切层整体动态特征呈波浪上升发展;模态噪声逆流向上行传播,其速度同样呈类余弦分布,变化趋势与模态噪声幅值保持一致。结合Rossiter模态预估理论发现：同频率的上行模态声波与下行旋涡相互作用,产生了类驻波现象,导致模态噪声功率谱密度和传播速度沿流向周期性变化。     

碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机制研究

在来流总温1085K、进口马赫数2.0下开展了煤油燃料超声速燃烧试验，使用高速摄像观测了火焰的形态和结构，采用平面激光诱导荧光技术（PLIF）观测了煤油和OH的分布，结合数值模拟结果分析了燃烧室的火焰稳定机制。测量结果显示:燃烧反应主要发生在射流的下游区域和凹槽区域内，随着燃料当量比的增加，火焰传播角度及火焰向主流的穿透高度增加。数值模拟结果与实验测量吻合较好。火焰稳定机制分析显示:液态煤油喷入燃烧室内，主要分布在下壁面附近的流场中，燃烧产生的高温燃烧产物通过凹槽剪切层与回流区之间的相互作用，进入凹槽并为剪切层中的空气-煤油混合气体提供稳定的热量和中间产物，使得火焰基底能够稳定在剪切层内，并以相对固定的角度向主流流场中传播。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对直径D 300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布.测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0.5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z>10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显.     

光滑圆盘上小半球对边界层发展影响的实验研究

应用氢气泡流动显示技术对圆盘上小半球对边界层转捩的影响进行了观测.实验结果表明当Rer＞302时,将会从小半球脱落周期性的发卡涡.发卡涡在自诱导速度的作用下产生倾斜向上的运动,发卡涡头部顶端率先进入高速流区,因而比其根部运动更快,使发卡涡受到流向的拉伸,增加其流向的涡强,增加了流向涡强将使发卡涡的头部有更大的向上速度,由此而形成了不断加强的拉伸、自诱导过程,这就使三维扰动快速增长,导致边界层速度剖面出现局部的暂时变形,从而产生一个强剪切层,强剪切层很不稳定,导致发卡涡破裂而形成湍斑,在下游发展成完全湍流,而在边界层转捩过程中则观察到了水充速度有很强的负脉动.在小半球前缘附近会形成稳定的standing涡,并对standing涡及发卡涡对周围流体的诱导作用进行了细致的分析.小半球对边界层的扰动以锲形向下游传播,锲形的半顶角称为扰动扩散角,一个半球与三个半球的尾迹区没有明显的区别,每个半球扰动的扩散角均为5.7°.     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。     

自然状态及声激励状态下轴对称尾流的流动显示结果(英文)

流动显示演示了轴对称钝体前缘分离剪切层中Kelvin－Helmholtz不稳定波的演化发展情况。声激励状态下的流场结构与自然状态相比发生了很大的变化，分离剪切层与外加声激励的相互作用蕴含着魔鬼台阶现象，该现象经常在两个根子相互耦合的动力系统中产生。     

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

为解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较,分析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果表明:喷嘴中心、内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场;喷嘴中心、内环、外环喷出的气流速度接近一致时,流场比较稳定;喷嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时,工件表面出现漩涡,破坏了流场的稳定性。     

超声速冲击射流的PIV实验研究

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器(STOVL)等航空航天领域,然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题,笔者采用PIV(粒子图像测速)技术对超声速冲击射流的流场结构和涡结构进行了深入研究.实验发现在不同的冲击工况下,冲击射流流场结构呈对称和螺旋结构,其瞬时流场的主涡结构也有类似特征,脉动流场在瞬时流场主涡结构的基础上会附加与主涡旋转方向相反的次涡结构,在对称和螺旋两种模态下,由于涡结构的影响,冲击射流的近壁速度存在较强的脉动.     

沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究

壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关，研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律，有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中（Re_τ=190），采用高时间分辨率粒子图像测速技术，测量光滑平板和沟槽板（s+=2h+=16.3）湍流边界层，分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λ_ci识别展向涡，比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小，逆向涡的数量增大，并削弱了展向涡的强度；沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加，中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小，使得近壁区顺向涡的尺度差异变小，对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响；沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例，并增大了大尺度顺向涡的数量比例，对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。     

空腔内旋转流动LDA整场测量及实验Re数恒定方法

空腔内的旋转流动常常涉及二次流、旋涡破裂等复杂问题。在整场流动实验测量中 ,必须长时间保持恒定工况。目前文献中的作法一般是采用高精度的恒温水域 ,但系统复杂、控制精度受限制。笔者介绍了一种根据实测温度调频变速保持实验Re数不变的方法。实验表明 ,该方法简单易行 ,并能将流动在长时间内高精度地保持在同一工况Re数内。最后给出了采用这种方法的整场和旋涡破裂区域内速度分布的LDA测量结果。