基于温敏漆的边界层转捩测量技术研究

以自然层流翼型RAE5243模型为研究对象，在0.6m跨超声速风洞进行温敏漆（Temperature Sensitive Paint，TSP）转捩测量技术研究，在Ma0.73和Ma0.75条件下开展了模型基本外形和鼓包外形的转捩测量试验。针对缺乏定量分析手段的问题，提出基于温度梯度的转捩位置自动判定算法，包括图像预处理、转捩点定位与筛选和转捩位置计算3个步骤。模型温度分布及转捩测量结果表明:重复性试验结果偏差较小，验证了转捩测量结果的可靠性；相同马赫数条件下，鼓包外形转捩位置相对基本外形向后缘移动；相同外形条件下，Ma0.75的转捩位置相对Ma0.73向后缘移动。TSP试验结果与CFD计算结果吻合较好，变化趋势一致，检验了数值模拟方法的有效性。     

表面摩擦应力油膜干涉测量技术在 Mα=8的应用

在Φ0.5m高超声速风洞中开展了表面摩擦应力油膜干涉测量技术在Ma=8的应用研究。在记录干涉图像的同时,使用红外热像仪记录模型表面温度,通过标记点进行坐标转换,获得测量点处油膜的温度,对比地面校准中获得的硅油黏性-温度曲线,确定油膜的实际黏性系数,从而提高摩擦应力测量精度。开展了平板模型摩擦应力测量试验,不同黏性硅油测得结果的标准偏差与平均值的百分比不超过10%,试验结果与平板层流边界层理论估计值吻合。     

MEMS传感器测量平板表面摩擦应力高速风洞试验

采用两种热敏MEMS传感器阵列和一种电容式MEMS传感器,在FL-21风洞中开展了平板模型表面摩擦应力分布测量试验研究.试验马赫数(Ma)为0.3~0.6,试验雷诺数(Re)为(0.63~1.23)×107 m 1,模型迎角为0°.试验结果表明:平板模型边界层流动能量主要集中在1000Hz以内;试验测得的表面摩擦应力分布随Ma变化规律与可压缩层流/湍流估算值吻合较好;试验所用平板模型边界层流动转捩起始点位于距平板前缘160mm附近,终止点在距平板前缘202.5~242.5mm之间.     

7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展，给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据，在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型，研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m，迎角范围-10°~10°，马赫数5~7，模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布，获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内，马赫数增大，尖锥转捩位置提前，分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起；随着单位雷诺数的增大，边界层转捩位置前移，转捩雷诺数保持不变，约为3.0×106；小迎角时，随着迎角的增大，迎风面边界层转捩推迟，背风面边界层转捩前移，在10°大迎角时，迎风区中心线转捩前移，出现迎角"转捩逆转"现象，背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

高超声速表面摩擦应力油膜干涉测量技术研究

针对高超声速摩阻测量的需求,将基于表面图像的摩擦应力油膜干涉测量技术( SISF)应用于Φ0.5m常规高超声速风洞.通过平板模型的风洞实验,进行了硬件设备平台研制、模型表面材料、油膜物性参数的影响特性以及干涉图像数据处理方法研究.结果表明,建立的SISF硬件设备和技术能够获得清晰的干涉条纹,平板模型表面摩擦应力测量结果与数值模拟结果一致,研制的SISF系统可以可靠地应用于高超声风洞模型表面摩擦应力测量.     

半角7°圆锥马赫数6边界层转捩的自由飞实验

在气动物理靶上开展了半角7°圆锥的边界层转捩测量实验，模型材料为铝合金，表面采用氧化发黑处理或涂覆低热导率涂层，底径33mm，球头半径0.27~2.50mm，马赫数4.89~6.63，单位雷诺数4.8×107/m~5.2×107/m，总迎角0.8°~5.8°，采用阴影和红外辐射成像获得了模型边界层图像和转捩阵面形貌，测得转捩雷诺数介于2.4×106~5.6×106之间.结果表明:转捩雷诺数随迎角增大而减小；一定的球头钝化可以推迟转捩。     

0.6m连续式跨声速风洞总体性能

中国空气动力研究与发展中心（CARDC）0.6m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞，设计方案采用了宽工况压缩机及其与风洞一体化设计、半柔壁喷管、低噪声跨声速试验段、指片再入调节片式主流引射缝、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。通过风洞总体性能调试，获取了风洞安全运行边界及总体性能，得到了风洞各关键部段性能参数。调试结果表明，风洞总体和各部段性能均达到预期设计技术要求；压缩机、换热器和各辅助系统设备运行性能良好；实现稳定段总压运行范围15~250kPa，总压控制精度优于0.2%；实现试验段Ma运行范围为0.144~1.640，马赫数控制精度优于0.002；轴向马赫数分布均方根偏差优于设计指标（Ma ≤ 1.0时，σ_Ma < 0.002，1.0 < Ma ≤ 1.6时，σ_Ma < 0.008）的要求；当试验Ma ≥ 0.5时，试验段核心气流脉动压力系数ΔC_p < 0.8%。调试结果验证了0.6m连续式跨声速风洞设计方案的可行性，为我国大型连续式跨声速风洞研制提供参考。     

一种智能材料结构在变形体机翼气动特性研究中的应用

为验证所提出的智能材料结构在柔性变后缘机翼气动特性研究中应用的可行性，在跨声速风洞中运用模型变形视频测量技术测量了机翼后缘的偏转变形量，并记录了偏转变形的动态过程。同时测量了上翼面的压力分布。实验马赫数0.4~0.8，模型迎角0°~6°。分析了来流条件对结构变形能力的影响。结果表明:跨声速条件下，智能材料结构在气动载荷作用下能够驱动机翼后缘偏转变形。驱动力一定时，变形能力受到马赫数和迎角等因素影响。马赫数增加会减弱智能材料结构的变形能力，导致变形速度减小，后缘偏转角降低。迎角的影响较为复杂，且与马赫数的影响相互耦合，马赫数越高迎角的影响越强。最后，通过对后缘压力分布形态的分析得出，变形后后缘是否发生流动分离是影响智能材料结构变形能力的关键因素。     

离散式粗糙元诱导翼型边界层转捩的数值和实验研究

在Ma=0.6来流条件下,针对三维离散式圆柱粗糙元诱导NACA0012翼型边界层转捩问题开展了直接数值模拟(Direct numerical simulation,DNS)和油膜干涉风洞实验研究,分析了粗糙元诱导转捩的机理及粗糙元高度和相邻粗糙元间距对转捩位置的影响。结果表明,翼型表面粗糙元能够通过诱导出三维Λ涡和马蹄涡促进边界层转捩,达到转捩控制的效果。粗糙元高度和相邻粗糙元间距对边界层转捩有影响,且增加粗糙元高度和减小相邻粗糙元间距能够促进转捩。粗糙元高度对转捩的影响大于粗糙元间距,且对粗糙元后方区域影响大,对相邻粗糙元中间区域影响小。     

亚跨超声速风洞中采用粒子图像测速技术进行飞机机头高速选型实验

在1.2m量级亚跨超声速风洞对某型飞机机头模型进行了DPIV高速选型实验,通过实验获得了两个机头模型的流场特性.实验结果表明:在巡航马赫数条件下,机头顶端速度分布平滑,不存在流动分离和超声速区;在快速巡航马赫数条件下,机头顶端存在局部很小区域的超声速区,强度很小,不存在流动分离.实验数据符合气动规律,实验数据可以作为机头气动设计的依据.     

排气管系三分支接头内部流场的 PIV 测试研究

以内燃机排气管系气体流动损失研究为背景,采用激光粒子图像测速技术对45°三分支管接头在流型6时的内部流场进行测量,获取了在不同流量比及气流马赫数工况下接头内部的流场数据。接头的支管段与主管段内径均为50mm,分支夹角的交界点处以及支管的转角处都为锐角边缘。通过对不同流量比 q 和马赫数 Ma 的工况进行测试,得到了气体在三分支流动中的试验数据。结合压力损失数据对比分析不同工况的速度场和流线图谱等流场特征,测试结果表明:流型6时,接头内的流场存在明显的流动收缩;气流的流动参数将影响和改变接头内的流场特性,其中随着支管与总管流量比的增大,接头内气流湍流区域扩大,压力损失增加;流出端马赫数对流场特征及压力损失也存在影响,Ma 为0.13和0.31时,总压损失系数变化不大,当 Ma 增大到0.59时,总压损失系数大幅度增加。     

一种Ma0~4TBCC进气道气动设计及性能分析

从TBCC推进系统总体性能需求出发，给出了TBCC进气道捕获面积以及模态转换马赫数确定过程。在此基础上开展基于平动式模态转换装置的马赫数0~4内并联TBCC进气道气动方案设计，给出了进气道单自由度几何调节机构方案及其几何调节规律。通过对涡轮通道典型几何参数的规律化研究，结果表明:方转圆段几何长度、中心点y_m值以及面积变化规律对进气道出口总压恢复系数及马赫数影响较小，对进气道出口流场的均匀度影响较大；就研究的进气道而言，选取方转圆段几何长度为3m，中心控制点y_m=1.5，沿程截面面积变化规律为"先急后缓"的设计较为适宜；Ma=4.0时，设计的TBCC变几何进气道总压恢复系数为0.45，Ma=2.2时，总压恢复系数和畸变分别为0.79和0.15。     

亚声速压气机平面叶栅及其改型的吹风试验

为了对比某压气机原始叶型及其改型后的短弦叶型的气动性能,基于某高亚声速叶栅风洞对原型和改型叶型开展了平面叶栅吹风试验。试验前对不带叶栅和带叶栅试验件下试验段进口均匀性和出口周期性进行检查,确定满足试验要求的测量通道。通过吹风试验测量并分析原型叶栅和改型叶栅的出口总压、出口气流角以及叶片表面等熵马赫数分布。结果表明:相对于原始叶型,弦长缩短后叶型吸力面型线曲率变化增大,峰值马赫数后的气流逆压梯度较大,因此附面层内的气流分离损失更大;设计马赫数0.6时,短弦叶栅的低损失攻角范围比原型叶栅减小了约3°,改型叶栅和原型叶栅均表现出较好的负攻角特性;设计攻角下（i=0°）,进口马赫数从0.4增大至0.7时,两套叶栅出口尾迹的深度逐渐增大,但尾迹宽度基本不变;达到或者超过临界马赫数0.8之后,原型和改型叶栅的尾迹宽度和深度均显著增大。     

激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究

介绍了在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)激波风洞中进行的摩阻测量技术研究情况。在测量研究中,设计了压电型摩阻天平,为了提高摩阻天平的校准和风洞试验测量结果精度,便于风洞试验和校准之间安装的变换,本项研究的摩阻天平采用一种新结构,也就是测量表面和摩阻天平本体可以分离的分体式结构,由此确保在不同使用场合下,摩阻天平的测量表面或者校准加载块可拆卸和更换。验证性试验是在 CARDC 0.6m 激波风洞中进行的,流场名义马赫数分别为8和10,单位雷诺数分别为2.85×107/m 和1.58×107/m,试验中测量了带压缩拐角的进气道模型表面三个测点的摩擦阻力,也测量了摩阻测点及其附近热流,测量结果表明:模型表面的摩阻和热流与雷诺比拟准则符合得较好。     

Tomo-PIV亚跨声速风洞应用探索

层析粒子图像测速技术(Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV)是将PIV技术和计算机断层诊断技术(CT)相结合的一种瞬时三维流场速度测量技术，能够定量获取流场的三维结构。通过对该技术的研究，实现了其在亚跨超声速风洞的应用，并进行了超临界翼型小肋减阻的试验验证。基于中国航天空气动力技术研究院FD-12亚跨超声速风洞，设计了体光源和相机等硬件设备的布局方案，解决了示踪粒子的均匀播撒问题，测量了Ma=0.6条件下的自由来流流场，并与PIV测试结果进行对比，两者数据吻合较好，验证了Tomo-PIV的测量精度。针对超临界翼型OAT15a，测量了翼型表面分别贴附光滑薄膜和顺流向对称V形小肋薄膜后翼型尾缘后方的三维速度场。对比发现，贴附小肋薄膜后尾缘后方流场的马赫数增大，说明小肋能够减小翼面摩擦阻力，具有一定的减阻效果。     

高超声速风洞真空系统临界压力比实验研究

临界压力是暂冲式高超声速风洞实验段流场破坏时真空罐中的压力值，临界压力比影响Ma10以上大型高超声速风洞真空系统的设计。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma10以上喷管的实验，测量了风洞实验段静压、流场的皮托压力、扩压器内表面前后压力、真空罐压力等参数，了解了各部位流场随真空罐压力升高的变化过程，获得了现有风洞Ma10、Ma12和Ma16各自的流场维持所需临界压力比分别为0.34、0.35和0.5。采用FASTRAN软件模拟了风洞流场建立到破坏的非定常过程，计算结果与实验结果较为一致。临界压力比的获得为类似大型高超声速风洞真空系统设计提供了关键基础数据。     

矩形转圆形进气道马赫5正8°攻角启动性能分析

在马赫5、正8°攻角状态对收缩比为6.9的带楔形前体的矩形转圆形内收缩进气道进行了风洞试验和数值模拟,研究了该进气道无放气及有放气时在风洞中的启动特性。结果表明,无放气状态该进气道在风洞中并不能顺利启动,不启动状态进气道顶板上存在较大分离区,分离激波被推出内压缩段,此时总压恢复仅为0.378,增压比为54.1,出口马赫数为1.48。通过在内压段的顶板上激波附面层相互作用区域放气后,该进气道可在风洞中正常启动。启动后总压恢复为0.558,增压比减小至44.9,出口马赫数为1.84,放气量约为唇口封闭处截面流量的1.2%。以上研究表明,放气可有效改善内收缩进气道的启动性能,启动后放气量较小,总体性能较优。