瑞利散射测速技术在高超声速流场中应用研究

采用基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma5、Ma6、Ma12的流场速度和湍流度的测量，了解了瑞利散射速度和湍流度测量系统在高超声速流场中应用的情况，结果表明目前该风洞流场湍流度在1%以内，速度测量结果与流场校测偏差最大1.3%；对激波后返回舱模型绕流速度进行了测量，Ma6来流的测量结果与数值模拟结果吻合较好，而Ma12来流的测量结果与数值模拟结果相差69%，对原因进行了分析。在实验中发现目前Φ0.3m高超声速低密度风洞的流场存在一定程度的冷凝现象，并对后续研究工作提出了建议。     

超临界、大折转角扩压叶型的气动性能

采用数值模拟的方法,对高亚声进口条件下,具有60°几何折转角的2D扩压叶型的气动性能进行了研究.通过对不同几何参数条件下叶型气动性能的对比,总结了中弧线进口曲率、最大厚度位置以及最大厚度对叶型性能的影响.在此基础之上,对在进口马赫数达到0.83以上,仍能保持较低损失以及攻角特性的超临界流场特点进行了分析,总结了该种叶型损失机理以及流场结构特点.结果表明,本文的造型能够实现更高超临界马赫数下的大折转角扩压流动.叶型损失主要来源于激波与附面层的相互作用.     

一种用于RM不稳定性研究的竖直环形激波管的设计与验证

设计并加工了一套竖直环形同轴无膜激波管,可用于环形汇聚激波诱导下的Richtmyer-Meshkov 不稳定性实验研究。与前人工作相比,本文在流体界面的形成以及流场的观测方法上做了较大的改进。通过实验和数值方法,对该竖直激波管产生的环形柱状汇聚激波的参数进行测量和分析,验证了同轴激波管形成柱状汇聚激波方法的可行性和可靠性。在界面形成方面,采用细丝约束肥皂膜技术形成正八边形气体界面,并利用数值方法考察了细丝对界面发展的影响。结果表明在界面发展的前期,细丝的影响几乎可以忽略。利用连续激光片光结合高速摄影相机对流场进行观测,获得了正八边形air/SF6气体界面在环形汇聚激波及其反射激波冲击下的演化过程,并与数值结果进行了对比,获得了较好的一致性,进一步验证了汇聚激波的对称性以及细丝约束肥皂膜技术用于形成多边形气体界面的可靠性。     

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.     

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.     

Roe格式在多组元燃烧流场数值模拟中的应用

对Roe通量分裂格式进行了详细讨论，并将其推广应用到基于非结构网格的高超声速多组元燃烧流场的数值模拟中。控制方程采用三维多组元Euler方程，重点针对Roe格式开展研究；考虑到燃烧流场求解过程中出现的刚性问题，对化学反应源项采用点隐式方法处理。对超声速条件下钝头体激波诱导燃烧流场进行了数值模拟，比较分析了3种经典化学动力学模型对流场结构的影响，获得与数值模拟、试验数据相符的结果。结果表明发展的方法可以用于多组元燃烧流场的数值分析，且化学动力学模型的选取直接影响激波诱导燃烧流场中诱导区厚度。     

CO2中速度5~7 km/s自由飞圆球流场参数的实验测量和数值模拟

为研究火星进入条件下的非平衡流动特性，在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所弹道靶上测量了CO₂中针对火星探测器进入速度范围5~7 km/s条件下的自由飞圆球的激波脱体距离。实验数据基于阴影法测量，并将其与数值计算结果进行对比，进一步计算了实验流场温度和组分分布等流场参数。一般认为激波脱体距离随来流速度升高而呈单调减小趋势，但研究结果表明:实验状态下，圆球飞行速度约5.5~7.0 km/s的范围内，圆球激波脱体距离随飞行速度升高而增大；采用Park的双温度非平衡模型和5组分6反应的CO₂化学反应动力模型可基本再现本文自由飞圆球激波脱体距离的实验测量数据；根据计算结果推测，本实验状态下自由飞圆球波后靠近激波一侧区域的流场主要处于热化学非平衡状态；当来流速度在约5.5~7.0 km/s的范围内时，流场组分CO开始发生显著离解，是引起圆球激波脱体距离在该速度范围内随速度升高反而增大的可能原因。     

彩色计算干涉技术及应用

在对高速气流进行干涉法测量时 ,由于激波的作用或者光的散射、斑点等现象 ,干涉图的干涉条纹可能会出现不连续。笔者通过仿真M Z干涉仪或全息干涉仪光学模型 ,并且采用对多块不规则网格的计算流体力学结果进行重构的直接体视化图形算法 ,得到了高分辨率的彩色数值干涉图 ,克服了干涉条纹的不连续性并给出了一个弹道靶中超高声速钝锥流场的例子     

三维管内激波/湍流附面层干扰流场的数值模拟

给出了可压缩性及曲率修正两方程湍流模型，用它对跨音速三维喷管管内激波／湍流附面层干扰流场进行了数值模拟；给出了不同纵向截面上的激波结构、等马赫线图和四周固壁上的摩擦力线谱。将计算所得的摩擦力线谱、激波结构与实验结果进行了比较。分析了横截面上的流动结构，计算与实验吻合较好，进一步证实可压缩性及曲率修正两方程湍流模型能够较好地模拟激波／湍流附面层干扰流场，满足工程设计和分析要求。     

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。     

欠膨胀自由射流密度场的丙酮平面激光诱导荧光显示与测量

介绍了利用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量自由射流密度场的原理,并对两种射流总压下含有丙酮蒸气示踪剂的欠膨胀自由射流的密度场结构进行了显示.所得图像直观地显示了射流的桶状激波和马赫盘等特征信息,从中可以看出射流欠膨胀度主要影响马赫盘以前的流场,射流欠膨胀度越高,则射流直径越大,马赫盘越远离喷口,桶状激波越向外凸出.为检验丙酮PLIF技术测量密度场的精度,对实验流场进行了数值仿真.仿真所得到的密度场结构以及沿射流轴线的归一化密度变化曲线与实验得到的相应结果符合较好.     

激波过弯道绕流流场(英文)

为了研究微波过弯道的传播，气动中心设计了微波过弯道的实验装置，它很容易拆卸并组成带10°发散的弯道、短形弯道和带各种角度的二元喷嘴。实验所得到的若干照片，对于研究激波反射、绕射与边界的相互作用和对数值模拟的验证是很有用的。     

膜片非理想打开行为对自由活塞激波风洞运行的影响

在自由活塞激波风洞中，主膜片非理想打开行为可能对活塞运动和激波形成产生不同程度的影响。基于膜片的剪切-应变模型和活塞动力学模型，得到了膜片打开-活塞运动的耦合方程组，完成了膜片动态打开过程对活塞运动和常压力驱动时间影响的刻画。研究显示:由于活塞前脸压力和活塞速度之间存在博弈，膜片打开行为的差异性对活塞末端速度影响不大，活塞在压缩管末端可以实现"软着陆"。此结论得到试验证实。试验结果还显示:主膜片非理想打开行为对激波形成的影响较大，但是随着激波的传播，这种影响逐渐减弱。     

采用新翼型的函道螺旋桨气动特性实验研究

对国内、外螺旋桨翼型研制和发展的情况作了简单回顾后对分别采用ＮＰＵＰＲ翼型及ＮＡＣＡ－１６翼型设计的四种螺旋桨方案的气动设计方法作了简单说明，同时介绍了用这些方案进行风洞实验研究的主要结果，这些结果与计算结果相一致。此外，计算和实验结果表明：ＮＰＵＰＲ翼型设计的螺旋桨明显优于用ＮＡＣＡ－１６翼型设计的２方案，而用ＮＰＵＰＲ原翼型的Ｋ、Ｚ方案又明显优于应用户要求修型的１方案。     

考虑粘性时激波反射及壁面热流计算

本文采用显式 TVD 格式,求解薄层 Navier-Stokes 方程,计算了激波与楔面相互干扰的流场情况,得出了马赫反射的各种等强度线及固壁面上详细的物理量分布,根据计算得出的流场,计算了壁面摩擦阻力及热流分布。     

激波运动与反射流场的ENO算法

在ＴＶＤ格式的基础上，以修正限制函数的方法，将通常的ＴＶＤ格式改造为性能更为优越的ＥＮＯ格式，并利用这种有限差分格式求解欧拉方程和薄层Ｎ－Ｓ方程。分别数值模拟了激波管中运动激波与三种楔形物体相互作用流场；给出了激波在不同物体上的反射及波涡干扰过程中非定常流场的变化情况；算出的波系结构与在ＣＡＲＤＣ小型激波管中做的相关实验结果一致。     

管道系统激波运动的数值模拟

对激波在管道、活塞腔系统内运动的两种数值模型──一维非定常气体运动模型和二维轴对称气体运动模型，进行了数值模拟，其计算曲线（压力曲线、活塞速度、位移曲线）与相应的实验曲线符合较好，表明基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的激波运动计算方法能成功地处理含有激波且边界条件复杂的管道系统内气体运动问题，因而能较精确地预测管道系统内详细的压力变化过程，特别是预测激波在管道系统内的传播过程。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性，设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法，并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验，测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像，对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析，获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息，可为分析气化产物运动特性提供数据支持；测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符，证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。