反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面(分别是SF6和氩气)在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

扰动激波冲击界面不稳定性:反射激波效应

通过平面激波绕刚体圆柱的方法形成扰动激波，采用无膜技术形成N₂/SF₆均匀界面，在竖式激波管中开展了扰动激波冲击界面Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性实验研究。针对3种不同的无量纲距离η(圆柱到界面距离与圆柱直径之比)情形，利用高速纹影技术及平面Mie散射技术，获得了反射激波二次冲击作用下的界面演化图像。前期工作(邹立勇等，2017)显示，入射激波冲击后，界面发展为包括中心气腔和两侧台阶的"Λ"形结构。研究结果表明:反射激波二次冲击后，"Λ"形界面首先经历相位反转，然后扰动逐渐发展增强。在η=2.0情形，界面演化为气泡，而当η=3.3和4.0时，在整体的气泡结构之外，界面中心发展为尖钉结构。获得了反射激波作用后的混合区宽度，并与理论模型结果进行了比较。在界面演化线性阶段，Meyer-Blewett(MB)线性模型结果和实验结果吻合较好。在界面演化非线性阶段，Dimonte-Ramaprabhu (DR)模型结果和实验结果吻合较好。特别地，当η=4.0时，理论与实验结果差别最小。     

基于彩色纹影的Edney Ⅳ型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下Edney Ⅳ型激波相互作用.解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60μs,帧频6242fps.将光源限制在0.5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度.实验在马赫数为5的激波风洞内进行,Edney Ⅳ型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K.数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程.实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了Edney Ⅳ型激波相互作用的波系结构和马赫数为1.2的超声速射流.数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了Edney Ⅳ型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因.     

激波与氦气泡相互作用的实验与数值研究

提出了一种在激波管中实现运动激波与球形气-气界面相互作用的研究方案.以肥皂膜作为气体交界面,高压火花为光源,采用阴影法,在马赫数M=1.2的情况下,在矩形激波管中开展了一系列的实验研究,获得了激波作用下球形氦气泡界面发展变化的相关实验结果.还通过求解二维轴对称的Euler方程,结合网格自适应策略,对实验过程进行了数值模拟.通过与实验结果的对比分析,证实了涡量的产生和分布对于界面的变形和发展有着重要意义.     

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行,实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片。实验结果发现,运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。     

不同密度梯度的多层流体界面上的Richt myer-Meshkov不稳定性研究

在气-液界面Richtmyer-Meshkov(R-M)不稳定性研究的基础上,利用不同流体间密度的差异,构造了空气-硅油-水、空气-酒精-硅油两种流体粘度方向迥异的气-液-液三相界面,实验中以氮气作为高压驱动气体,在不同激波马赫数下对这两种界面R-M不稳定性后期尖钉与气泡区发展进行了测量与统计,通过对实验数据的分析,得出了相关规律,并用这些规律与已有的单层气-液界面R-M不稳定性研究成果作比较,得出了异同点.同时,还研究了两种三相界面在R-M不稳定发展中的差异.实验结果表明:当流体的粘度梯度方向(从小到大的方向)与激波方向一致时,界面失稳更加明显,湍流混合更为显著.     

压力不匹配混合层流场结构的实验研究

为了研究压力不匹配超声速湍流混合层流场结构,采用时间平均纹影、脉冲激光纹影和高时空分辨率NPLS方法获取了相应的流动显示图像.根据不同时间和空间分辨率的实验图像所展示的流场结构,研究了激波与膨胀波对混合层整体结构的影响,分析了压力不匹配对混合层精细结构的影响.     

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。     

一种进气道自起动特性检测方法

发展了一种应用于激波风洞中快速检测高超声速进气道自起动能力的实验方法.该方法通过在隔离段内预先设置轻质堵块,迫使进气道在风洞运行初期不起动,待堵块被吹出后,流道恢复畅通,进而考察进气道是否具有起动能力.实验采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,对二元高超声速进气道的起动特性进行了研究.通过对纹影照片以及相应的壁面压强信号的分析,对所发展的自起动检测方法的可靠性进行了考核,并进一步研究了内收缩比对进气道起动特性的影响.在激波风洞中获得了进气道自起动过程以及起动/不起动双解区的流场特征和相应的壁面压强变化历程.     

动态彩色纹影流动显示

对动态彩色纹影技术作了深入细致的阐述，并把此项技术广泛应用于超音速流场中捕捉激波等试验研究中，提供了一些实际应用的典型的流场彩色纹影照片，为波动理论研究提供了重要的实验图像（如波阵面的包波结构等）。     

气波制冷效率影响因素的实验研究

通过实验本文研究了气波制冷机工作管充气时间,分界面混合效应以及工作管内反射激波等因素对气波制冷效率的影响,并结合管内流动波图对实验结果进行了分析,提出了采用激波吸收腔缩短工作管长,消除反射激波,提高制冷效率的方法。     

双截面聚焦纹影技术应用研究

通过支板尾流结构显示实验,研究了使用双截面聚焦纹影技术显示复杂流动的可行性.双截面聚焦纹影系统能在一次实验中得到两个不同位置的聚焦纹影图片,并能保证两张图片反映的是同一时刻的流场结构.比较了普通纹影与双截面聚焦纹影系统捕捉三维流场结构的能力,证明聚焦纹影技术显示复杂流场是有潜力的.为使之能够清晰地反映复杂流场的三维特征,还需在缩小聚焦区厚度和提高信号质量方面做工作.     

聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用

为了在激波风洞试验中满足流场的密度场定量测量、三维流场显示和大视场观测,发展了聚焦纹影显示技术.该技术具有对流场区域进行聚焦显示的特点,获得的流场信息主要反映某个测试区域的特性.笔者对该技术的原理、系统组成、调试情况以及风洞试验结果进行了介绍.调试和试验结果表明:(1)该系统灵敏度高,获得的照片清晰,使用激光光源时不受衍射和干涉噪声的干扰;(2)该系统可以获得急剧聚焦深度小于5mm、测试视场(100mm的聚焦纹影图像,通过改变成像平面位置可以获得不同区域的聚焦纹影图像;(3)静态和动态聚焦纹影图像灰度变化数据将为某聚焦区域密度定量值计算奠定基础.     

高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

根据高速流动显示实验研究对高帧频图像采集设备的需要,基于分幅式光路设计原理,结合快响应像增强器和低照度CCD相机,研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机.利用高帧频数字相机,开展了高速流动显示实验研究:基于高帧频数字相机,结合纹影技术,在激波管上针对方块、凹槽模型,开展了高速流动显示实验,获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像,观察到湍流涡随时间演化发展的过程.结合一台输出功率为8W的连续激光光源和高帧频数字相机,建立了一套高速片光散射流动显示系统,获取了喷流的米氏散射序列图像.实验证明,基于高帧频数字相机的纹影及片光散射技术具备开展高速流动显示实验研究的能力.     

基于气体放电的高超声速激波结构显示技术

基于气体放电辐射强度与气体密度的相关性，在高超声速脉冲风洞FD-20中搭建了气体放电流场显示系统，并分别以平板模型、平板-方块模型和简化进气道模型为试验模型，在来流马赫数Ma=12.16、来流静压p≈106Pa的流场条件下开展气体放电流场显示技术研究。在平板实验中，气体放电方法较准确地观测到了电极之间的平板前缘激波结构，与纹影技术测得激波角相差仅为0.21°。在平板-方块实验中，气体放电方法观测到了2个截面（对称面和远离对称面截面）的激波结构，对称面波系结构与纹影和数值计算所得结果基本一致，远离对称面截面的波系结构与数值计算结果基本一致。在简化进气道实验中，气体放电方法观测到了内流道激波交叉形成的菱形结构，且尺寸与数值计算结果相差较小，约为7.9%。这些实验结果表明，在高超声速脉冲风洞中，采用气体放电方法可以获得清晰准确的激波结构，不仅可进行分截面激波结构观测，还可对被模型遮挡的内部区域激波结构进行显示，而且特别适合用于局部复杂流动波系结构的观测。     

超声速液体射流的气动特性

介绍了有关脉冲超声速水射流以及柴油射流气动特性的研究结果。水射流实验是在一台垂直设置的内径为8mm的火药枪设备上进行的。用出口直径为5mm的喷嘴,产生了速度为600m／s的水射流。用纹影仪观察了射流及激波形状,从而测量了激波与前体驻点之间的离开距离。柴油射流实验是在一台水平设置的高压氮气气枪设备上进行的。     

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.     

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。     

超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比，对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究，给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中，固定喷管喉道出口面积比，改变喷管上下游压比，使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处，逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中，喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等；但由于附面层的存在，每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如，试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中，出现的由λ型激波向Х型激波的转变，以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。