利用光学层析技术重构超声速绕流流场密度分布

在连续式风洞中,采用单光路旋转流场干涉测量和计算机层析方法获得了含模型的超声速绕流流场密度分布.首先利用多种图像处理方法,并引入计算机辅助功能,对干涉图片进行精确判读和定量处理,准确重构波前相位信息;获得了相应的PV值、RMS值以及前15阶的Zernike多项式系数;通过同原始CFD模型波前数据的对比,系统的重构精度RMS优于λ/10.在获得一系列单帧干涉波前相位数据的基础上,采用光学层析技术,设计计算机迭代算法,构造内部旋转矩阵,重构了超声速绕流流场密度分布,可以非常直观地获得待测流场不同方向截面上的密度分布状况.     

风洞模型位移光学测量技术应用综述

风洞试验中,模型姿态的测量是影响数据精准度的一个重要因素,而测量上的一个微小变化,常常对实际应用价值造成巨大影响.当代测量技术发展的一个新领域是应用光学技术.概述了国外主要的风洞模型位移光学测量系统,包括测量依据、应用风洞、模型要求、数据后处理以及精度情况.这些测量系统应用于静态试验和动态试验中,用于模型位移、姿态角和弯曲变形的测量.从应用现状、应用环节、操作步骤、发展趋势等方面进行了描述,并给出了结论.比较这些模型位移光学测量技术可知它们各有优缺点,应用条件不一样.     

考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则

为了突破结冰风洞进行模型缩比试验时可能遇到的试验段尺寸和风洞模拟能力2方面的限制,本文从保证绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似以及结冰过程的热力学特性相似等角度出发,对影响飞机结冰过程的相似参数进行提炼,提出水滴运动及撞击过程中的水滴变形/分裂相似要求为韦伯数相似和水滴飞溅相似要求为撞击参数K相似这2个约束条件,综合已有常规结冰相似准则的研究,建立了一套考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则。并采用数值模拟的方法,对所提出的相似准则进行了验证,结果表明,该准则有效,可以应用于冰风洞试验,作为试验的理论指导和参数选取依据。     

粒子图像测速技术在马赫数4.O流场测试中的应用

介绍了上海交通大学多马赫数高速风洞中应用PIV测试技术开展马赫数4.0流场测试的情况.为满足超声速流场高速瞬时的测试要求,实验中选择了合适的示踪粒子和布撒技术.首先介绍了马赫数4.0来流条件下自由来流流场PIV测试情况,实验结果表明喷管出口处速度矢量场平行喷管轴线方向且分布均匀.其次对尖劈斜激波流场进行了PIV测量并讨论了示踪粒子跨越激波的迟滞特性,结果均符合斜激波理论.研究中还测试了拐角模型流场,从PIV图像中可清晰看到激波边界层干扰等复杂流场结构.因此,PIV技术可成为一种有效的超声速流场测试技术.     

高超声速风洞颤振试验技术研究

为实现在高超声速风洞中开展颤振试验研究,设计了高超声速风洞颤振试验装置和模型保护机构。风洞试验表明该试验装置可用于开展高超声速风洞颤振试验研究,支撑方式可避免风洞及其他机构对模型的频率干扰;保护机构在高动压情况下可正常工作,达到模型保护效果。试验验证了高超声速风洞固定马赫数阶梯变动压和连续变动压两种风洞开车方式。为验证高超声速风洞颤振试验技术,对平板翼进行了高超风洞颤振试验,试验马赫数为5.0和6.0。试验采用随机子空间法(SSI)辨识结构模态参数,采用 Zimmerman-Weissenburger 方法预测颤振临界动压,其颤振预测动压比采用活塞理论计算值高12.7%。试验表明目前采用的高超声速风洞颤振试验技术可用于开展高超声速风洞颤振试验研究。     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量.聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息.依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值.试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的.     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究.采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化.通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律.研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m/s时,最大升力系数增加11%,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高.     

高超声速风洞铰链力矩试验技术研究进展

针对高超声速风洞铰链力矩试验比低速和高速风洞铰链力矩试验模型尺寸更小、温度效应和缝隙窜流影响更大,试验难度更大的特点,“十一五”以来,在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所的Ф1 m高超声速风洞上开展了高超声速铰链力矩试验技术研究工作。先后发展了基于纵轴式、横轴式以及其他布局方式的天平及其试验装置设计技术,探索了适用于高超声速风洞试验条件的减小天平温度效应的措施、舵偏角变换方式和天平校准方法,并开展了多轮验证试验。试验结果表明:发展的铰链力矩试验方法、试验装置、天平结构、舵偏角变换方式和天平校准方法等能够满足不同高超声速飞行器控制舵面气动力测量的需求;采取的天平两端加装隔热套和电桥桥路补偿等措施能够有效减小天平温度效应和缝隙窜流的影响。目前,本项试验技术已成功应用于Ф1 m高超声速风洞马赫数4～8（来流总温273～740 K）的舵面气动特性测量,铰链力矩重复性精度优于1.50%。     

低速增压风洞压力测量系统设计与误差分析

低速增压风洞的雷诺数能够达到8.5×106,但与常规的风洞相比它的内部压力可高达0.4MPa.为此,设计了一套满足增压状态下的高精度风洞压力测量系统.系统采用耐压的PSI8400设备进行压力测量.通过模拟压力工作环境和分析测量的数据,找到压力风洞压力测量误差的主要原因是温漂、时漂、零偏置和压力效应.据此,采取了5点校准、正负校准等方法,消除了它的影响.通过与压力标准PCU比对和验证,这套压力测晕系统的精度优于0.05%.因此这套压力测量系统可以在压力风洞中进行多种高精度的测量.这套测压系统已在增压风洞的轴向静压梯度测量中得到应用,解决了压力风洞中流场校测的测量问题.     

超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构,对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应,给出了计算结果。     

有限元法在光学侧窗热防护设计中的应用

光学侧窗热环境极为严酷,可采用液体对流内冷却技术对光学侧窗进行热防护。以有限元法对光学侧窗温度场进行了分析研究,研究结果表明:该方法计算精度可靠;液体对流内冷却技术能有效起到降温的作用。同时还定量的给出了冷却液用量对结构温度场的影响,为设计的经济可行性提供了保障。     

基于光流算法的粒子图像测速技术研究

光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序,然后通过3种典型人工位移图像对光流计算程序进行验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场,最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果进行比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。     

光流场测试图像序列和真实数据生成方法

本文提出了一种利用光线跟踪算法生成光流场测试图像序列和真实数据的新方法，用该方法得到的图像序列和真实数据可用于光流场算法的定量比较和定性分析，对光流场计算有重要意义。     

光学探针在气液两相流动局部参数测量中的应用研究

光纤传感器作为纤维光学领域中的新技术,在两相流动局部参数的测量中得到了越来越广泛的关注.为了获取气液两相流动的局部界面信息,进一步深入了解两相流动的内部机理,给出了双传感器光学探针的详细制作过程,并将制作成的探针应用于气液两相流实验研究.实验中通过压降方法与探针方法测得的空泡份额之间的平均偏差为8%,表明所制作的双传感器光学探针测量精度较高,能够应用于气液两相流局部参数的测量.进一步的实验研究表明,管内局部空泡份额沿通道径向呈“壁峰型”分布规律,并且局部界面面积浓度(IAC)的径向分布也呈现出基本相同的规律.     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma=3. 8超声速风洞中.采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布.PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求.本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理.实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布.     

风沙两相流动光学测量及图像处理技术研究进展

介绍了自风沙动力学诞生以来所使用的各类光学测量方法,阐述了各种方法的优缺点和适用范围,针对最新光学测量技术在近代风沙两相流研究中的重要作用,着重介绍了PIV、高速数字图像测量及其图像处理技术在风沙两相流中的应用,指出光学测量在时间和空间的解析能力上的持续增长将为沙粒微观力学解析和风沙流宏观统计规律获取提供充足的支持.     

光流场重建线性算法的实验模拟

由光流场重建三维运动和结构是计算机视觉研究中的热点和前沿，它分为线性算法和非线性算法。非线性算法的初始值选取非常重要，否则会导致算法失败。本文提出了一种由光流场重建三维结构线性算法的实验模拟新方法，该方法巧妙地利用合成数据和图像序列验证了重建的线性算法，该思路也适用于其它算法。     

用光学干涉方法对液相扩散传质过程的研究

液相中扩散传质过程研究无论对于基础理论还是生产实践都具有重要的意义.但在通常的重力环境中,传质过程不是单因素地由浓度梯度来决定,对流和沉降会对实验研究产生重要的干扰.通过光学干涉技术的应用,实现对于扩散过程中的传质系数进行测量,实验中采用Math-Zehnder干涉仪对于整个传质过程进行监控并记录相关图像信息.这些图像信息是贯穿在整个实验过程中的连续录像,不同于其它实验记录的静态图像.通过计算这些随时间改变的干涉条纹的变化,就可以推导出传质系数的结果.实验液体选用水/葡萄糖溶液,之后还将进一步将该实验装置搭载TF-1火箭,进行微重力实验,以排除重力产生的影响.