基于表面热膜测试的低速风扇附面层流动研究

压气机转子叶片表面附面层分离/再附、转捩机制较为复杂,数值模拟方法受到了极大的限制,因此需要新的试验技术测量旋转状态下转子叶片表面附面层的发展状态。本文采用表面热膜测试技术对某风扇叶片表面附面层分离/再附、转捩等流动现象进行了试验研究,获得了旋转状态下风扇叶片表面的准壁面剪切应力。试验结果表明,在上游尾迹周期性扫掠的作用下,叶片表面附面层转捩、再附点提前,分离泡范围减小。表面热膜测试技术可较为准确地捕捉旋转叶片表面附面层的转捩、再附点,为旋转状态下转子表面附面层的流动测量提供了一种解决途径。     

CARDC 激波风洞 TSP 技术研究进展

从基本原理、关键技术和验证应用三个方面总结了近两年在中国空气动力研究与发展中心激波风洞中开展的温敏涂层(TSP)技术相关研究工作。通过解决快速响应温敏发光材料研制、模型研制、数据处理等一系列关键技术,完成图像采集系统、光学系统及标定系统的配套和系统集成,建立了一套适于激波风洞试验的高速 TSP 测量及标定系统。该技术可在激波风洞试验中获取模型被测面温敏涂层的发光图像,基于该图像可以直接观察模型表面热流分布和捕捉峰值热流的准确位置。结合温敏发光材料的物性参数标定数据,能够实现对模型表面热流的定量测量。不同于传统的传感器点热流测量技术只能得到模型表面有限数量的离散点的热流值,TSP 技术能够以高空间分辨率得到较大面积区域的详细热流分布信息,可更加全面的测量模型外表面的热环境,并且可以据此进一步分析和辨别边界层流态以及确定边界层转捩位置。试验对比表明,TSP 技术的测量结果与点热流传感器的测量结果具有良好的一致性。目前该技术已趋于成熟,在Φ2 m 和Φ0.6 m 激波风洞上成功应用于边界层转捩研究、局部干扰区热环境研究和复杂外形飞行器热环境研究等领域,已成为激波风洞除点测热技术之外又一重要测热技术。     

飞行试验热流辨识和边界层转捩滞后现象

对中国空气动力研究与发展中心马赫数为5左右的球锥模型在首次航天模型飞行试验中的温度测量数据进行了分析,通过辨识获得热流分布,发现飞行试验的测热数据后处理方法与地面风洞试验有很大差别,必须考虑温度变化历史,并考虑测温单元与周围飞行器壳体的三维传热才能得到正确的热流结果。采用工程计算方法对模型表面热流分布进行了计算,通过与飞行试验测量结果对比分析,发现测温点在发射上升段由湍流完全变为层流和在再入下降段由层流向湍流转捩具有不同的转捩准则数,边界层转捩存在滞后现象;根据地面风洞试验拟合出的转捩准则受到风洞噪声等因素的影响,预测的转捩位置比实际情况靠前;对于球钝锥外形,当x/R50时,流场和热流趋于锥形流结果。本次模型飞行试验还首次验证了气动热工程方法对于马赫数小于5情况的适应性。     

流动显示的红外热成像技术

红外热成像技术是一项非接触式的测试技术，通过细致测量目标表面的温度变化及其分布，可以反映表面流场的状况，应用该技术对自然转捩，人工转捩及三角翼表面流场进行了测量，并应用图像处理技术得以很好的结果。     

红外热像边界层转捩探测的飞行试验应用研究

针对飞行试验层流测试,开展基于红外热像的边界层转捩探测技术应用研究。分析了高空飞行条件对红外测试的影响因素,包括光路布局、蒙皮表面处理工艺、蒙皮加热等,有针对性地提出红外测试方案。在此基础上,以某民用飞机为试验平台,开展飞行演示验证试验,飞行海拔高度范围5km至7km,马赫数范围0.5至0.65。进行了有/无蒙皮加热、有/无太阳等状态的机翼表面热图采集,对比分析蒙皮加热、太阳辐射等因素对红外转捩探测信噪比的影响特性,通过多个架次试验观测分析机翼前缘污染对转捩的影响特性。为消除由前缘污染物诱发湍流楔等因素导致转捩位置误判,提出了一种基于统计分析的机翼转捩位置判定方法,提高了转捩探测结果的可靠性。本文提供了三组真实飞行条件下的边界层转捩位置数据,雷诺数达到1.5×107。演示验证飞行试验结果表明,通过蒙皮内部加热方式可有效提高红外热图信噪比,利用固定转捩方法验证探测结果,使用本文方法测得的转捩位置偏差量不超过弦长0.5%。     

热膜测试技术在涡轮叶栅边界层测量中的应用

为了更加精确地测量附面层流动状态,并验证表面热膜测试技术的可靠性,利用表面热膜测量了低雷诺数定常来流条件下高负荷涡轮叶栅通道内叶片吸力面附面层的流动状态,并与表面静压实验测得结果进行对比。结果表明,利用表面热膜测得的准壁面剪切力以及相关的统计参数能够准确捕捉到附面层分离泡和转捩的位置,对于高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量是可靠有效的。     

粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.      

高超声速低密度风洞红外热图技术初步研究

为了对红外测热与热电偶测热进行比较研究，在马赫数M∞=12，驻点温度T0=650K，驻点压力P0=1630kPa的高超声速稀薄气流中，对一平板斜坡薄壁模型进行了试验，试验结果表明这二者所获得的模型表面热流率符合得较好。与此同时，对模型表面发射率的测量、模型物面坐标与热图象素坐标的对应关系也进行了初步探讨，重点提出了在大极角情况下对发射率进行修正的方法，即根据模型表面不同位置的法线，调整红外热像仅镜头轴线，使被测量区域的极角尽可能小，以保证发射率在此范围内为常数。     

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性

利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比.结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低雷诺数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流雷诺数的减小而增加.     

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性研究

本文利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比。结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低Re数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流Re数的减小而增加。     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难。为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究。结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较。结果表明：马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

高超声速圆锥边界层失稳条纹结构实验研究

边界层转捩的准确预测是高超声速飞行面临的关键气动问题之一。为研究高超声速边界层失稳和转捩机理,以前缘半径1.6mm、半锥角7°的圆锥模型为研究对象,在FD-07高超声速风洞中采用红外热图技术开展边界层转捩实验测量。通过与工程计算结果对比,确认模型表面边界层流态。实验结果表明:有迎角条件下,模型表面中后段出现条纹结构,条纹结构的起始位置随着周向角的增加而向上游移动;随着迎角的增加,条纹起始位置向上游移动,条纹强度差异和条纹与模型中心线的夹角越来越大。实验获得的条纹结构与不同频率扰动波相互作用直接数值模拟获得的条纹结构现象一致。通过对比分析,认为边界层内不同频率扰动波相互作用是产生条纹结构的一种机制。     

An overview of infrared thermography techniques used in large wind tunnels

Infrared thermography (IRT) is used at Onera in large facilities for boundary layer visualization and for heat flux assessment. Modern IR cameras and insulating paints enable efficient visualization of the laminar/turbulent transition region. This technique is now applied in large transonic test facilities. Heat flux assessment is one of the main purposes of hypersonic tests. It is done mainly with IRT and dedicated softwares, while sensors as thermocouples are used to check the reliability of IRT. A 1D data reduction method has been developed to provide the heat flux through temperature measurements. It takes into account thickness and curvature effects. The method has been recently improved to be used with steel models covered with an insulating paint, which provides a high emissivity. The temperature film is converted into a heat flux film, which is be used to extract the useful information. This requires image processing tools that relate every pixel to a point on the model. A new application of IRT is going on in the Onera's high enthalpy hypersonic wind tunnel F4. The camera is used in single-line scan mode because of the short duration of the run. The main difficulty comes from the flow, which is not transparent. The first trial to cope with this kind of optical pollution is encouraging.     

TS P转捩探测技术在民机风洞试验中的应用研究

以ARJ-4模型为研究对象,在FL-3风洞中进行TSP转捩探测技术试验研究,并应用红外热成像转捩探测技术进行探测,获得对比验证结果,试验中还采用了基于柱状粗糙元的固定转捩试验方法.试验使用了自研TSP涂料,对模型进行了预加热,预加热模型的目的是增大模型表面层流区与湍流区之间的温度差异.模型表面粘贴了红外试验用标记点,也作为TSP技术图像对准控制点.试验状态为马赫数0.75和0.85,α由-4°变化到4°.试验结果清晰地显示了模型表面的层流区与湍流区及其随迎角的变化.     

高超声速风洞压敏漆试验技术

提出了适用于高超声速风洞开展压敏漆(PSP)试验研究的关键技术及解决办法。采用自主设计的PSP校准系统及测试系统,考核了代号为EC-PSP的压力敏感涂料在高超声速条件下的适用性、图像处理软件功能以及高温条件影响下数据处理方法的可行性。以压缩拐角模型为例开展了马赫数为5的高超声速PSP技术验证性风洞试验研究,辅以红外测温方法获得模型表面连续温度分布。试验结果表明在高超声速风洞开展的PSP试验技术研究清晰地捕获了基于压力变化的压缩拐角模型表面流动特征,实现了连续压力分布的测量。     

激波风洞温敏热图技术初步试验研究

介绍了可用于激波风洞等高超声速脉冲设备复杂外形模型表面热流分布显示与测量的温敏热图技术。该技术利用温敏材料发光特性随温度变化的特点实现对模型表面的温度测量,进而分析获得其表面热流分布。由于有效运行时间一般只有10ms左右,在激波风洞中采用温敏热图技术在材料温敏响应、图像采集等方面均存在困难,导致此技术还很不成熟。介绍了近期在CARDC 0.6m激波风洞中开展温敏发光热图技术研究的情况,包括发光材料的研制、材料喷涂、图像处理及标定等方面的研究工作。验证试验采用了平板加钝舵模型,获得了与理论分析及传感器测量结果较一致的平板干扰区热图结果。热图与薄膜传感器测量数据差异大致在5%~25%之间。     

基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法

风洞试验中模型迎角的精准测量是降低阻力系数误差的重要途径之一，为此，提出了基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法。该方法通过两个单应性矩阵，获取试验过程中相机实时位姿和标记点物方空间位置坐标，应用坐标旋转关系，完成试验模型的迎角测量。数值仿真试验结果表明：迎角测量误差与待测标记点到风洞壁板间的距离偏差近似为线性关系，因此，当标记点不满足共面条件时，可根据该特点进行测量误差修正。静态标定和风洞迎角测量试验结果表明：修正系统误差后，迎角实测数据的测量准度在0.01°以内，精度不超过0.012°。本文方法易于实施，工程实用价值强。     

红外热图在高超声速低密度风洞测热试验中的应用概述

围绕大极角情况下模型表面温度的测量、红外热图测热精度的提高、模型物面坐标与红外热图像素位置对应关系等问题,对近年来在高超声速偌氏密度风洞开展的红外热图测热工作进行了总结,给出了一些实用、简单、经济的方法。为验证上述技术,在高超声速低密度风洞开展了用红外热图技术与热电偶同时测量一平板带劈薄壁模型表面的气动加热率分布以及半球圆柱模型红外测热数据与DMSC计算结果的比较。不同手段获得的数据与红外测热数据相互验证的结果表明：这些技术的解决,有利于红外热图技术向工程化实用化迈进。