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。     

激波(爆炸波)与物体相互作用的数值模拟

给出了在二维和三维条件下激波(爆炸波)与物体相互作用的一些典型计算结果,概括总结了激波管中实验的有效性,提出了改进数值方法(包括差分格式,网格系统),发展三维光学定量可视化技术和进一步研究非定常湍流的建议.     

激波(爆炸波)与物体相互作用的数值模拟(英)

给出了在二维和三维条件下激波（爆炸波）与物体相互作用的一些典型计算结果，概括总结了激波管中实验的有效性，提出了改进数值方法（包括差分格式，网格系统），发展三维光学定量可视化技术和进一步研究非定常湍流的建议     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性.采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制.     

暂冲式激波聚焦及起爆爆震的实验与数值模拟研究

开展了三维暂冲式激波聚焦及起爆爆震的冷态与热态实验,并采用WENO算法和块结构网格自适应加密算法进行了高精度数值模拟.在环形喷口宽度d=5.4mm,驱动压力pres=0.55MPa,初始压力pinit=0.091MPa的条件下,第1次激波聚焦所致的峰值压力达2.17MPa,是初始压力的23.8倍.以当量比1.0的C2 H2/Air混合气为工质,在驱动压力为1.51MPa,环形喷口宽度d=11.4mm的工况下成功起爆了爆震波.测得火焰传播速度与激波传播速度之间的耦合偏差为2.7%,爆震波速为1587.3m/s.数值模拟清晰地捕捉到了激波聚焦及起爆爆震过程中的流场演化细节.发现环形激波沿三维凹面腔径向入射,首先在对称轴上聚心碰撞,形成沿对称轴对称分布的马赫干,并作为入射激波向凹面腔底部推进.同时,原入射激波也向凹面腔底部运动.因此,环形激波沿三维凹面腔径向入射聚焦的完成是以原入射激波和新形成的马赫干在凹面腔底部碰撞为标志的.     

激波风洞气动力试验不确定度影响因素分析

参考北大西洋公约组织和AIAA推荐的风洞试验数据不确定度计算方法,结合激波风洞运行特点,确定激波风洞气动力试验的主要误差源,计算激波风洞B-2标模气动力测量结果的不确定度.采用改变单一变量的方法计算主要误差源对测量结果不确定度的影响程度,辨析对不确定度起主要作用的基本参数.计算结果表明:皮托压力和总压的测量结果对流场参数影响显著,皮托压力的测量结果比总压测量结果对流场参数与气动力测量结果影响更大;降低皮托压力和总压的偏离极限,有利于提高激波风洞气动力试验数据的质量.     

圆锥激波与平板边界层干扰的数值模拟研究

为进一步研究参数变化以及三维效应对圆锥激波/平板边界层之间相互干扰的影响,使用两方程Menter-SST模型,针对来流马赫数为2时的三维圆锥激波与平板边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。分别研究了圆锥激波发生器半锥角和来流单位雷诺数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算的中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

具有气体动力和物理化学非均匀性的超声速物体绕流(英文)

本文研究的问题是超声速气流流过物体时产生的气体动力和物理化学非均匀性及其对物体空气动力特性的影响。就有关流动非均匀性对温度剖面和密度的效应作了详细探讨，还仔细描述了激波与热层相互干扰时以及在激光辐射脉冲的作用下先行激波生成的情况。值得指出的是超声速气流中加入激光辐射能可能改变流动结构，在局部能量释放区域后面呈现的较高和较低压力，有助于控制飞行中物体的运动。可采取某些措施以改进飞行品质。     

三维物体绕流数值模拟中薄层模型的应用

介绍用于近似计算绕三维尖体无粘流激波薄层的二层模型。本法以数值确定激波的位置，在计算不同结构形状物体的空气动力特性时能确定气体动力载荷的近似值。采用这种方法实际上排除了超高速理论中其他已知方法对尖体几何形状所加的约束。与通常的空气动力特性曲线相结合，此法可获得在设计和非设计飞行状态下飞行器整个系统的近似绕流流场，且可优化其空气动力结构。     

用激波管驱动水喷雾

为了了解用激波管产生大流量水喷雾的流体力学原理,进行了实验研究。用可视化方法观察了管内两相流及所产生的喷雾的发展过程。用PVDF压力传感器测量了激波管内的压力波形。结果表明,水柱内的压力波明显地不同于空气中的压力波;水柱被经过加速后,其雾化形态发生了新的变化。     

减弱冲击波场对搭载设备冲击作用的实验研究

火箭发动机喷流时产生的起始冲击波超压会使受冲击体发生破坏性的形变,这对火箭弹与载弹设备的相容性形成了不利的影响。弹体在新设备上进行搭载时必须考虑对起始冲击波超压的抑制以保护搭载设备不受破坏。采用电测技术和光学流场显示技术可以研究冲击波的作用情况。笔者就是在对冲击波超压实验研究的基础上,探索抑制起始冲击波超压以减小它对设备表面的危害的途径。通过在喷管尾设置抑制装置削弱了起始冲击波超压的峰值压力,改变了冲击波的形态,提高了火箭弹与其载体的相容性。笔者还对抑制的效果进行了分析     

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。     

多点压力扫描阀测量系统在激波／湍流边界层干扰实验中的应用

多点压力测量是航空气动力研究及高性能流体机械研究中的重要测试手段。利用计算机和多点压力扫描阀系统，可以高效地完成这项任务，并可能在实验中实现数据采集及整个实验过程的自动化。我们利用ＨＰ１０００／Ａ７００计算机－ＨＰ２２５０－测控装置－压力传感器－高速扫描阀组成的测量控制系统，在超音速风洞内对激波／湍流边界层干扰产生的流场进行了快速多点压力数据采集，并取得了可靠的结果。本文对测试和校正过程中的程序设计、测试方法和应用经验进行了介绍。     

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。     

平面双光子激光诱导荧光技术在高焓气流氧原子测量中的初步应用

基于双光子吸收激光诱导荧光（Two-photon absorption laser-induced fluorescence，简称TALIF）技术，在纯净的高焓流场环境中进行测量，获得氧原子的荧光信号。为了获取更大区域内的流场信息，将激发激光整形成80mm宽的薄片状激光。通过对测试镜头的优化选择和对ICCD参数的合理设置，实现了对距离镜头大于1.2m超远目标的清晰成像。对所获取的荧光图像进行分析，在测试结果中可以清晰地看到超声速流场中在模型头部形成的弓形激波，亚声速流场中氧原子浓度在距头部30~50mm处最强，靠近模型头部处浓度较前方偏弱，这些结果符合实验预期。测试方法将在下一步运用到流场定量测量中。     

粘性相互作用对高焓激波风洞实验段自由流静压测量影响的分析

通过理论分析、实验测量和数值模拟,研究高超声速粘性相互作用对实验段自由流静压测量的影响.研究表明:由于粘性相互作用,高焓激波风洞实验段平板静压测量值远高于实际自由流静压.在热化学非平衡流情况下,经典的粘性相互作用参数和经验公式具有局限性.     

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。     

利用二、三维嵌套技术数值模拟复杂边界下的流场

通过数值模拟复杂几何区域和边界条件下二、三维嵌套紊流模型，获得了计算区域内任意一点的流场信息。这一方法克服了常规的单纯模拟二维或三维紊流控制方程组而无法获得准确的自由表面和三维紊流场的缺点，通过两者有机的结合，并采用动边界处理等先进的计算技术，得出了精度更高、更为合理的紊流场。该方法曾被用于三峡工程大江截流完成之后导流明渠通航的流场模拟中，计算结果合理可信，部分成果的精度也已得到了实测资料的验证，成果为导流明渠通航路线的选择提供了依据     

数值模拟具有四个腔室的多分支管道二维非定常流动

应用基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的二维非定常流数学模型，模拟具有四个腔室的多分支管道内的瞬变气体运动，以便对该气体运动的发展过程有一更好的了解。根据所给出的模型编制了相应的计算及绘图软件。数值模拟定量给出了多分支管道内详细的速度矢量场，压力样梯度场及各分支管道的质量流量变化曲线。并对多分支管道内非定常气体运动过程的某些特征做出了分析和讨论。计算结果表明：基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的非线性波作用计算方法能成功地处理合压力波（包括激波）的传播发展和含复杂几何形状边界的多分支管道流动问题。因此该方法可以作为一个有效的数值分析工具，用来精确预测多分支管道内详细的压力变化、速度变化和质量流量变化的过程。     

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.