湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换，得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布，在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大，相干结构的平均猝发周期也相应增加，说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术，提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形，发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低，雷诺应力表现为正负交替的波动现象。     

“X”型探针测量三维速度的新方法

利用热线侧角对风速测量的影响提出了在平面内将“Ｘ”型探针旋转４５°来测量三维速度的新方法，通过数学推导获得了分解三维平均速度和脉动速度的数学计算式，并且在标准风洞上进行了实验验证。     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明:采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的犢向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4~15Hz 的叶栅摆动频率、8°~30°的叶栅摆动角度、50~100mm 的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性(等相位速度脉动量)与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

圆柱尾流中眼镜蛇探针与热线的性能对比

在雷诺数为7200的圆柱尾流中对眼镜蛇探针与热线的测量结果进行了详细对比,主要包括:时均速度、雷诺应力、概率密度函数、自相关函数和能谱等。从对比结果可以发现眼镜蛇探针数据的拒绝率随湍流度增大而增大,但在本实验中其对时均测量结果无明显影响。尽管眼镜蛇探针数据有效率在95%以上,但相对于热线其明显高估了雷诺应力。尤其是主雷诺剪切应力u*v*,眼镜蛇探针与热线测量结果的差异要显著大于两者在雷诺正应力上的测量差异。由于无法反映高频随机脉动的影响,眼镜蛇探针所测信号自相关系数的周期性明显强于热线。眼镜蛇探针对速度u和v的响应存在区别,使得两者能谱在惯性子区内有显著差异,不能像热线一样反映出惯性子区内小尺度湍流的各向同性。     

非定常自由流中的翼面动态压力测量

首先讨论了用埋测压管方式进行动态压力测量的可行性,然后利用这一方法对置于非定常自由流中的60°三角翼进行了动态压力测量。结果表明,一定管长和管径的测压管可以用于低频压力脉动的测量。动态测压结果表明,在减速过程中,负压系数增大;在加速过程中,负压系数减小;不同迎角下的压力分布曲线有很大差别。这主要是由于随着来流速度的改变,前缘涡的强度和结构发生变化造成的。来流速度的脉动幅值对压力分布也有很大影响,脉动幅值越大压力分布曲线变化越大。     

不同湿度下的云雾-不饱和空气湍流混合实验研究

本实验设计建造了一个80×80×100cm3的室内云雾腔,对不同环境湿度下的云雾-不饱和空气混合过程的湍流特征进行了实验研究,利用 PIV 技术,获得了混合过程中的速度场,得到了湍动能、脉动速度二阶结构函数、泰勒微尺度等物理量。结果表明:该实验测得的湍流泰勒微尺度为 mm 量级;云雾-不饱和空气混合过程的脉动速度场表现出明显的各向异性,随着不饱和环境湿度的增加脉动速度概率密度函数在尾部越来越偏离标准高斯分布;横向结构函数和纵向结构函数比值明显偏离基于均匀各向同性湍流的理论值。     

射流和圆柱尾流湍流层次结构的实验研究

用热线测量了射流和圆柱尾流湍流核心区不同位置处的风速脉动 ,通过对速度结构函数标度性质的计算 ,研究了湍流层次结构模型。主要结论有 :层次结构模型中的相似性假设得到了实验的有力支持 ;模型提出的标度指数公式精确地反映了湍流随机场的标度性质 ;速度结构函数的标度性质是与具体湍流流动有关的。     

一种基于EMD的低湍流度信号处理分析方法

采用热线风速仪在3座典型低速风洞中进行了流场湍流度测量，这3座低速风洞包括1个低湍流风洞、1个常规闭口风洞和1个开口射流风洞。针对湍流信号通常受噪声干扰的问题，在湍流度值处理中引入了经验模式分解（EMD)自适应滤波和HHT时频谱分析方法。将EMD方法与其他几种湍流度值处理方法进行了比较，包括带通滤波方法（BP)、电磁噪声解耦方法（ENC)和高通惯性衰滤波方法（HPIA)。采用EMD方法测得低湍流风洞的湍流度值，在流场速度30~100 m/s的范围内小于0.05%。采用HHT方法完成了脉动速度信号的时频分析，分析发现开口风洞试验段的脉动速度HHT时频谱有突出的低频信号。所构建的EMD自适应滤波器可以有效控制噪声对热线输出信号的影响，是一种有效的低湍流度信号处理方法。     

管道效应对进气道试验湍流度测量的影响研究

进气道风洞试验中，湍流度由动态压力计算得到，动态压力的测量是否精确与动态压力传感器前方导压通道的管道效应相关。基于管道内流体动力学耗散模型，研究了导压通道对动态压力和湍流度的影响，并通过进气道风洞试验进行了验证。研究结果表明:进气道风洞试验中导压通道的管道效应对湍流度的影响较明显，管道效应会放大动态压力的脉动幅值，导致测量湍流度大于真实湍流度。为了减小管道效应对湍流度的影响，进气道试验中应避免使用导压的方式进行动态压力的测量。如果不可避免地存在导压通道时，在导压通道长度大于5 mm时，须考虑管道效应对湍流度测量的影响，并进行相应的修正。     

悬挂式跷跷板旋翼桨叶拉力载荷的一种工程算法

在一阶诱导速度分布,一阶周期变距,三阶挥舞运动的基本假定下,提出了一种悬挂式跷跷板旋翼桨叶挥舞面内拉力载荷的工程算法。为此,首先推导了含有悬挂高度和桨叶预锥角影响的这类桨叶的挥舞运动方程。并用“法方程法”及“共轭斜量法”求解了一种属于矛盾方程的挥舞运动系数方程组,取得一致结果。随后,导出了气动拉力载荷表达式。最后,以××无人驾驶直升机悬挂式跷跷板旋翼桨叶为算例,计算了拉力载荷并分析了悬挂高度和预锥角对挥舞运动系数的影响关系。     

大迎角三角翼旋涡运动及其破碎特性的数值研究

从流体力学的基本方程出发，利用Ｈａｌｌ的涡核准柱假设，导出反映涡核运动的Ｎ－Ｓ方程。采用差分方法计算旋涡流场，进而分析三角翼上前缘分离涡的运动特点及其破碎机下。从计算结果可以看出，旋涡的轴向速度向下游逐渐下降，且涡心处于降较快，外缘下降较慢，反映了粘性作用自涡心外缘逐渐下降的特点；涡核外缘的径向速度开始为负，说明开始阶段有流体流入涡核，随着旋涡向下游运动，径向速度有所增加，到一定位置后增加迅速，说     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

微型涡流发生器对超临界翼型减阻机理实验与数值分析

针对安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻问题，先用风洞实验测出微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性的影响，然后采用RANS方程和κ-ε湍流模型进行数值模拟，分析安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻原因。研究发现:微型涡流发生器使下游近壁面处低能气体向上卷起与外层高能气体掺混，近壁面平均湍动能增加、翼型后部脉动压强增大，压差阻力减小；湍流应力由速度梯度、湍流粘性系数和脉动压强共同决定，虽然气流掺混，弦向速度法向梯度减小、湍流粘性系数减小，但展向速度法向梯度和脉动压强增大，湍流应力增大，摩擦阻力增大；微型涡流发生器尺寸很小，完全浸没于附面层内，仅掺混与它高度相当的附面层内流体，对附面层厚度影响小，对翼型升力影响小。     

子波变换在实验流体力学中的应用

介绍了子波分析的历史、基本知识以及在实验流体力学方面的应用。讨论了子波变换在客观辨识湍流边界层相干结构方面的应用。作者用子波变换的方法提出了确定湍流边界层相干结构挥发时间尺度的能量最大准则，提取了相干结构对应的速度信号波形。用于波变换研究了湍流边界层脉动速度信号的局部奇异性行为，发现相干结构发生处脉动速度信号的局部奇异性指数为负值。     

一种应用于水流的纹影特性光流测速算法

本论文基于光流优化算法，发展了一种适用于水流的纹影特性光流测速算法。在存在密度梯度的条件下，纹影图像的亮度反映了流场折射率的一阶导数，结合纹影亮度方程和流体连续性方程推导了适用于水的物理约束条件，采用二阶散度–旋度正则化作为空间平滑约束条件，基于两个约束条件构建了能量方程，通过变分法对能量方程进行最小化求解获得速度场。以热羽流为例，使用该算法对浮力羽流纹影图像进行了计算，并与互相关算法和传统光流算法的结果进行了比较。结果显示:本研究提出的算法能更好地体现流动特性，得到更高的空间分辨率。该方法基于纹影图像，无需在流场中添加示踪粒子，对流场无干扰，具有结构简单、使用方便等优点。     

无动量亏损尾迹的实验研究

采用尾缘吹气的流动控制技术,改善静子尾迹区流动.使用热线风速仪对静子尾迹区在不同吹气量下的轴向速度进行了测量,得到了在纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和射流这4种工况下尾迹区的轴向速度分布、中心点速度频谱图以及尾迹特征长度沿流动方向的变化.实验测量结果表明,无动量亏损尾迹和纯尾迹工况相比改善了静子出口速度的均匀性,并改变了涡脱落特性.无动量亏损尾迹特征长度与x0.35成正比关系,而纯尾迹时的特征长度沿轴向与x0.37成正比关系变化.     

共轴高速直升机振动载荷计算分析模型

共轴高速直升机上下旋翼之间存在强烈的气动干扰现象,这对旋翼的气动特性影响较大。本文根据这一特点并考虑气弹耦合计算效率,利用单旋翼自由尾迹模型的尾迹几何和固定尾迹计算的初始诱导速度分布作为共轴双旋翼预定尾迹模型的初始迭代值。与Leishman-Beddoes非定常动态失速模型、Pitt-Peters动态入流模型、共轴直升机上下旋翼桨叶全本征动力学方程及弹性桨叶与变距轴承边界约束条件等计算模块相结合,建立了一种考虑上下旋翼之间气动干扰及耦合迭代的共轴双旋翼振动载荷计算模型。为验证本分析模型的计算精度,以西科斯基公司的验证机XH-59A为研究对象,与国外风洞试验结果进行了对比,两者吻合较好。     

电加热圆管内流动的自然转捩过程研究

分析了在一个电加热圆管内的自然转捩流动和对流传热。对于圆管内的流动，提出在径向脉动速度不随流动模式变化的假设下，自然转捩流动是充分发展的层流与湍流流动按照比例的合成。采用合成比例来描述该合成流动，合成比例在转捩区间会发生振荡。根据最小熵产生准则得到自然转捩发展演化的方程，其中转捩发展演化的控制因素，是合成比例的振荡。给出了一个与测量结果一致的合成比例的振荡函数，包括圆管内转捩过程的传热实验测量和速度及其脉动统计特性的实验测量。指出圆管内层流向湍流的转捩过程，可以与热力学平衡系统的连续相变过程进行比较，并且在电加热圆管内的流体，其速度和温度可以有相似和独立的转捩演化过程。