纹影流动显示技术在超声速射流数值模拟验证中的应用

为了研究总压探针测量方法在欠膨胀超声速射流中的可行性,论文采用非结构网格有限体积法对含探针和不含探针的射流流场进行数值模拟,并通过对两个计算结果的比较,给出这种测量方法的参考性评价。为了证明数值方法及计算结果的可靠性,给出了口径6mm的喷嘴、粗1.3mm总压探针在压比4的流动条件下纹影流场显示和总压探针测量等实验结果。     

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.     

高速流非平行边界层稳定性研究

导出了可压缩流的抛物化稳定性方程（PSE）。针对高速流动，特别是超声速和高超声速流动的非平行边界层稳定性问题进行了研究。引入高效的边界层变换、全流场高精度的差分格式及预估校正迭代和推进求解法来求解PSE方程，使得PSE方法中至关重要的正规化条件得到了满足，确保了数值计算的稳定。采用高马赫数下对稳定性起支配作用的第二模式，研究了高速流边界层稳定性的演变和特征，分析了流动的非平行性、压缩性，以及壁面冷却等因素对流动稳定性的影响．所得结果与相关实验数据吻合较好。     

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

压敏涂料（PSP）技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力，航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术，与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团，稳定性较强，持续光照下发光强度衰减为1．5％／h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式，并设计制作了2套快响应时间动态标定设备，测得涂料典型响应时间在0．2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma＝5的 PSP 试验，利用高速相机采集图像数据后，经过批量数据处理，采集频率为250Hz，得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析，利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明，快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构，并能同时得到很好的定量压力数据。     

基于预处理和网格自适应的风力机翼型气动力计算

用预处理后的Navier-Stokes方程数值模拟低马赫数下风力机翼型的静态和动态绕流流动。为了提高计算的精度,运用了网格自适应技术:初始网格的流场计算收敛后,采用流场速度的紊乱度捕捉湍流区域;采用直接分裂初始父单元的H型网格加密方法对湍流区域进行局部加密。基于初始网格与自适应网格的计算结果与实验结果的对比表明,网格自适应方法提高了计算的精度。     

利用双焦点激光测速仪测量小型风洞中单个叶型绕流的试验研究

为了验证各种气体动力学数值计算方法的可靠性,在小型风洞中对单个叶型绕流进行了一系列测量,利用双焦点激光测速仪(L2F)和测取叶型表面、壁面静压对全亚声速流场及含有激波的跨声速流场进行了细致的研究,同时还进行了激波振荡现象及探头对流场的影响的研究。获得的结果不仅可以用于检验描述流动的各种数值模型的正确性或可靠性,同时也为进一步发展数值模型提供了实验数据。通过在简单流场中的测量,积累了一些经验,例如激波前后移动现象的判析与处理,有利于今后在复杂流场中的测量。     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

流场的自控测量及其伪彩色显示技术的研究

本文研究的这项技术把流场的物理量与空间坐标结合起来,把流场的图像显示和图像量示结合起来,使得流场小的信息得以直观地表示。而且图像处理器使得图像能反映出流场参数更细微的变化,计算机为流场信息的自动摄取与数据处理提供了强有力的手段。本文对流体力学实验研究的新技术进行了有益的探索。     

直升机典型城区环境流场计算与试验

首先，针对典型城区模型，在黏性非结构直角网格上求解了三维Navier Stokes（N-S）方程，并通过数值模拟计算了典型城区环境流场。其次，采用粒子图像测速（Particle image velocimetry，PIV）技术开展了城区流场测量试验研究。最后，通过对比试验与计算结果分析了典型城区流场特性。     

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。     

激光—光纤系统应用于跨超风洞蒸汽屏流态显示

介绍了激光器—光纤系统在跨超风洞蒸汽屏流态显示中的应用，并得到了跨超速时的空间流态图像。说明激光—光纤系统在跨越风洞中的应用，观测激波、涡及其相互干扰是可行的，且方便可靠。     

利用激光片光技术进行双三角翼剖面流动显示研究

进行双三角翼翼面流动显示研究的目的是为了揭示前、后翼脱体涡的干扰机理和详细结构 ,进而达到控制表面涡分离的目的 ,并为计算流体力学建立数学模型提供依据。介绍了采用激光片光技术在风洞中进行双三角翼剖面流动显示研究的方法和主要结果。研究表明 ,在较大攻角下 ,由于后翼涡的强度远远超过前翼涡的强度 ,后翼涡对前翼涡的诱导作用比前翼涡对后翼涡的诱导作用强 ,最终两涡将合并在一起 ,成为单一的旋涡。试验给出了很好的涡结构瞬态流动显示图片 ,两对涡的干扰合并明显可见 ,这对分析双三角翼涡的合并和破碎机理以及建立计算模型均有重要意义。     

双频光栅剪切干涉仪及其在流动显示中的应用

一种可用于风洞流场显示的双频光栅剪切干涉仪,它是在普通光栅干涉仪的基础上发展起来的一种用于光学检验和测量的干涉装置,其结构简单,容易调整,风洞流场显示中使用的各种纹影仪均可方便地进行改装。这种干涉仪的关键部件是一块带有两个不同空间频率的全息光栅,该光栅可以在普通光学实验室制作而无需任何精密的光学或机械加工,因此,与共它干涉仪相比,双频光栅剪切干涉仪更为经济实用。它的制作方法和剪切干涉原理,以及使用过程中发生的像畸变修正方法都作了介绍,并给出了在激波风洞流场显示中的初步实验结果。     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

基于光源拼接的大视场聚焦纹影技术初步研究

随着风洞试验技术的发展，模型尺寸不断增大，大视场流场显示技术显得日益重要。传统纹影等流场显示技术受光学元件尺寸的限制，流场显示视场难以超过Φ1.0m。在聚焦纹影技术基础上，提出使用可拼接的LED光源或其他光源替换菲涅耳透镜，流场显示视场很容易超过Φ1.5m。在解决光源均匀照明、散热等问题后建立了一套视场为Φ150mm的原理性装置，清晰获得了蜡烛火焰及热吹风流场聚焦纹影图像。同时，可以在此类聚焦纹影系统中放置多套聚焦透镜，实现更大测试视场或不同截面的流场显示；在大视场流场显示中，需要在光源之后增加聚光镜等以提高光源利用效率。     

流动显示的现状和发展

本文以第四届国际流动显示会议为主要内容,结合其它资料介绍流动显示的现状和发展。     

流动显示技术用于胜利埕岛油田海底管道淘空对策的研究

随着海洋石油工业的发展,海底管道的安全运行成为愈来愈受关注的问题。笔者针对胜利埕岛油田海底管道的淘空情况,采用流动显示技术研究海底管道由部分裸露到完全淘空过程中管道周围的流场特征。试验结果表明:海底管道从裸露到淘空,冲刷由缓慢变得急剧,直至淘空达一定程度后冲刷达到平衡;海流绕流管道时存在一涡脱落的相关长度,该长度约为2～3d。     

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.     

PDPA技术在圆管射流测量中的应用

采用激光相位多普勒技术（ＰＤＰＡ）和传统热线对圆管射流进行试验研究，试验结果表明：ＰＤＰＡ技术具有精度高、动态响应快、不干扰流场等特点；自由剪切湍流的扩展率ｄｙｃ／ｄｘ＝０．０８０１，完全自模拟特性区在ｘ／Ｄ＞８。     

光流场重建线性算法的实验模拟

由光流场重建三维运动和结构是计算机视觉研究中的热点和前沿，它分为线性算法和非线性算法。非线性算法的初始值选取非常重要，否则会导致算法失败。本文提出了一种由光流场重建三维结构线性算法的实验模拟新方法，该方法巧妙地利用合成数据和图像序列验证了重建的线性算法，该思路也适用于其它算法。