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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究:薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

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。     

基于光流算法的粒子图像测速技术研究

光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序,然后通过3种典型人工位移图像对光流计算程序进行验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场,最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果进行比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。     

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。