平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术，在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析，并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明，基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度，结合仿真分析，可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心超高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1.94km/s(犕犪=5.65),单位雷诺数4.32×107~1.20×108 m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0.6~2.2mm 之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0.3~0.8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明:弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

MEMS 壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS 壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种 MEMS 热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。     

边界层转捩位置测量及其精度的实验研究

以无迎角平板作为模型,用多片表面热膜作为测量元件,在低速风洞中测定边界层转捩位置及其随来流速度变化的规律,并在等精度重复测量的基础上给出边界层转捩特征点位置测量的精度。实验研究的结果表明,本文提出的测定边界层转捩位置及其变化规律的实验技术,能够满足应用性定量实验的需要。     

边界层转捩测量的实验研究

本文通过实验,研究了边界层转捩测量的一些方法和技术,表明随机信号的均方根值在转捩过程中变化率较大,指示明确稳定,是测量转捩较准确有效的一种方法。本文同时还研究了气流湍流度对测量方法的影响,最后提出转捩测量技术尚需进一步研讨的问题。     

新型高超声速进气道边界层人工转捩方法研究

为确保高超声速进气道的安全工作,其压缩面边界层在进入其内流道前必须完成转捩。针对高超声速进气道边界层转捩需要,依据二维高超声速边界层转捩机理,尝试了一种新型低阻高效的边界层人工转捩方法,在FD-07风洞中开展了试验验证。试验中首先通过进气道对称面压力分布和激波纹影获得进气道的自起动情况,进而推断进气道入口前的边界层转捩情况。试验包括进气道前体边界层自然转捩和人工转捩,试验结果表明在Ma=5、6,迎角α=0°来流条件下,使用同一波长的人工转捩带可以成功实现进气道边界层转捩,验证了基于线性稳定性理论设计的人工转捩带在宽马赫数范围的适用性。     

边界层转捩测量的实验研究

本文通过实验研究了边界层转捩测量的一些方法和流场扰动对它们的影响,结果指出随机信号的均方根值在转捩过程中变化率较大,指示明确稳定,是测量转捩较准确有效的一种方法。同时,本文还研究了气流湍流度和噪声对边界层转捩区内最大扰动层的影响,指出这时在转捩区内仍存在最大扰动层,它位于 h≤0.2δ。最后提出:为提高转捩位置测量的精确度,必须进一步研究确定一个公认的转捩起、迄点的标记。     

基于剪敏液晶涂层的光学摩阻测量技术研究

剪切敏感液晶涂层具有对剪切应力敏感的光学特性,液晶涂层的显色不但与所受到的应力大小有关,而且与应力方向有关.在白色光垂直照射下,利用相机拍摄液晶涂层所反射的空间光谱图像,结合标定结果可以获得涂层受到的表面剪切应力矢量分布.基于这样的理论,开展了液晶涂层光学摩阻测量技术研究,包括:液晶材料喷涂工艺研究,搭建相应的测量系统,液晶涂层标定方法研究,表面摩阻测量实验研究等.低速喷流实验定量测量了喷流—平板干扰区表面剪切应力矢量分布.Ma=5的高超声速风洞实验获得了尖前缘平板表面摩阻分布定量测量结果,以此判断了平板边界层的转捩.     

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。     

半角7°圆锥马赫数6边界层转捩的自由飞实验

在气动物理靶上开展了半角7°圆锥的边界层转捩测量实验，模型材料为铝合金，表面采用氧化发黑处理或涂覆低热导率涂层，底径33mm，球头半径0.27~2.50mm，马赫数4.89~6.63，单位雷诺数4.8×107/m~5.2×107/m，总迎角0.8°~5.8°，采用阴影和红外辐射成像获得了模型边界层图像和转捩阵面形貌，测得转捩雷诺数介于2.4×106~5.6×106之间.结果表明:转捩雷诺数随迎角增大而减小；一定的球头钝化可以推迟转捩。     

热膜式剪应力传感器在破碎波作用下的应用初探

破波区床面剪应力的正确认知对于揭示海岸泥沙输运以及地貌演变的机理具有重要意义。波浪破碎以后带来的紊动和涡旋会对床面剪应力产生显著的影响。采用MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在波浪水槽中开展了破碎波作用下的床面剪应力测量应用测试。实验结果表明该壁面剪应力传感器可以应用于破碎波作用下的床面剪应力测量。在破波点之前可以根据近底流速辅助该传感器判断床面剪应力的方向。床面剪应力在波浪破碎之前变化较为平缓，在波浪破碎之后床面剪应力的波动和极值都会增大。斜坡上沿程最大床面剪应力均值的极值出现于卷破水舌入射点之后。     

水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著，相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系，研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置，可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验，确定了不同水温条件下传感器的标定系数，结果表明标定系数B与水温呈线性相关。     

水下MEMS壁面剪应力传感器标定方案仿真分析与实验验证

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。ME MS壁面剪应力传感器的标定,首先是最基本的静态标定,决定了其测量的精度和数据的可信度。为辅助实现水下ME MS壁面剪应力传感器的精确标定,本文对采用槽道流法的精密标定装置流动条件进行数值仿真及激光多普勒测速仪测速实验,确定了标定试验段中流场从槽道入口处充分发展至稳定所需长度、压力分布情况及所能给定标定使用的壁面剪应力范围,进而设计标定方案;壁面剪应力的实验结果与数值计算和理论分析对比吻合较好,验证了标定方案的合理性,为下一步开展 ME MS剪应力传感器阵列水下标定试验提供技术基础。     

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法，使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号，通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量，同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明，剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，剪应力测量的不确定度越小，因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入；电压测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，电压测量的不确定度越小，因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量；标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高，因此标定公式具有较好的可靠性。     

热敏式壁面剪应力微传感器技术研究进展

基于MEMS技术的热敏式微传感器为壁面剪应力的测量提供了重要手段。本文介绍了国内外热敏式壁面剪应力微传感器技术的研究发展现状，重点从硅基和柔性聚合物基2种结构角度，对其工作原理以及不同热敏式微传感器的结构、关键工艺和性能测试进行了分析。     

耐高温动态压力传感器与实验分析研究

采用微机械电子系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）和硅隔离（Silicon on Insulator，SOI）技术制作出了量程为25MPa的倒杯式耐高温压阻力敏芯片，敏感电阻条与硅基底之间采用二氧化硅隔离，解决了在大于120℃高温下力敏芯片工作稳定性和可靠性的难题。设计了齐平式机械封装结构，避免了管腔效应影响，提高了传感器的动态响应频率。对研制出的耐高温动态压力传感器进行了静态性能和动态性能的标定实验，静态实验温度为250℃，得到了传感器基本性能参数，分析了传感器的不确定度，得出该传感器的基本误差为±0.114%FS（Full Scale，全量程），不确定度为0.01794mV，计算得到了传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移指标，由动态性能实验得到传感器的响应频率为555.6kHz，实验表明所研制的MEMS压力传感器在高温下具有良好的精度和固有频率。     

浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型

为提高设计水平和效率，建立了浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型。该解析模型明晰了微传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系。针对微传感器量程、固有频率、非线性度、灵敏度和分辨率等指标需求，能够更有针对性地快速得到优化传感器结构方案。结合设计案例，给出了微传感器探头结构的设计方法与流程，设计研制的传感器测试实验结果与解析模型的设计结果相符合。