高速复杂流动结构的视频测量

为了定量显示空腔高速复杂流动结构,采用均布的小圆点作为背景纹影(BOS)的背景点,利用视频测量(VM)成熟的小圆点图像定位与匹配技术,克服了现有图像互相关技术对BOS的限制;推导非平行光穿过流场的偏折位移/角计算公式,基于VM的共线方程,准确计算从背景点到相机摄影中心的光束穿过流场产生的偏折位移场和光程差场(OPD)。FL-21风洞的某空腔高速(马赫数为0.6~2.0)复杂流动结构的视频测量结果表明:本方法可清楚分辨出亚微米量级的光程差差异与微弧度量级的偏折角差异,定量显示空腔高速流动产生的波/涡/剪切层的位置、强弱及其相互关系,为复杂流动结构与气动光学效应的测量与显示提供新的途径,其光路简单、无需价格昂贵的相干光源,具有应用前景。     

甲基环己烷层流火焰燃烧特性研究

为了深入了解甲基环己烷的燃烧特性,利用定容燃烧弹和光学纹影测量系统分别对不同初始条件下的甲基环己烷/空气层流火焰燃烧特性进行研究。用自编的Matlab图片处理程序对定容弹内球形火焰传播过程的纹影图片进行分析,得到不同初始条件下甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度、马克斯坦长度和层流燃烧速度等层流燃烧参数,并给出了以初始压力和初始温度为变量的甲基环己烷/空气的层流燃烧速度拟合公式。研究结果表明:甲基环己烷/空气的拉伸火焰传播速度与初始压力呈负相关,在当量比?0.8时,与拉伸率呈负相关;马克斯坦长度与燃料空气当量比、初始压力和初始温度都呈负相关;层流燃烧速度与初始温度呈正相关,与初始压力呈负相关,并通过与其他的研究数据进行对比,表明构建的层流火焰燃烧速度拟合公式较为合理。     

预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建

旋流燃烧器的结构参数会对航空发动机燃烧室的燃烧过程产生影响，为了获取高分辨率的流场三维信息以分析旋流燃烧器对燃烧室燃烧性能的影响并提出优化策略，可通过背景导向纹影层析（BOST）技术实现复杂流动的三维折射率、密度和温度分布的瞬态重建。首先采用镜头等效光学系统和龙格-库塔光线追迹方法对光线偏折产生的畸变图像进行模拟，在此基础上采用光流方程重建模型对规则和复杂对象的折射率场进行了重建模拟，分析了图像偏移大小的影响因素，计算了测量体、焦距等设置参数对重建误差的影响，提出了背景导向纹影的优化测量设置方法。模拟结果显示采用优化设置参数后重建折射率场较好地展示了湍流旋流火焰的旋进射流、褶皱和涡旋等流场复杂结构。     

带凹窗斜劈高速湍流气动光学效应研究

采用数值方法分析研究了带凹窗斜劈高速湍流气动光学特性受窗口深度的影响。湍流数值模拟采用耦合J-B模型的RANS/LES混合方法即DES方法,依靠双时间步LU-SGS方法开展非定常迭代求解,并且利用物理光学方法和波前重构技术等计算气动光学效应,用于分析近场波前畸变和远场光斑分布情况。模拟结果表明,在窗口较浅时,窗口前缘处产生较强激波,带来更大的波前倾斜影响,而窗口较深时,分离剪切层、旋涡等流场结构导致气动光学效应的非定常特性更为显著;高速湍流导致的气动光学效应很强,在所模拟条件下,波前倾斜、均方根光程差、峰谷值以及Strehl比分别达到69μrad、0.22λ、1.2λ和0.31,其对应的跳动值38μrad、0.04λ、0.8λ和0.43。     

针对气动光学效应的RANS计算方法研究

针对气动光学效应研究的特殊需求,发展了相应的RANS计算方法.首先对常规湍流模型进行评估,选出对平均密度空间分布预测较好的湍流模型;同时发展了光波折射率脉动值的输运方程,用以模化脉动密度对光学成像的畸变效应.针对一典型光学头罩作为研究对象,运用本文发展的计算方法对光学窗口流场的气动光学效应进行了计算和分析.     

高超平板边界层转捩的气动光学诊断技术

高超声速平板边界层转捩是基础研究和工程应用中的一个重要的难题,对于转捩区域的理论估计和试验诊断与实际飞行试验结果有较大的偏差。随着光学测试技术的发展,高超声速气动光学研究水平不断提升,在气动光学中,一个重要的问题是边界层流动对穿过流场的光束存在影响,使光束发生畸变,包括光束的偏折、模糊和抖动。将上述两个问题结合起来考虑,高超声速边界层的转捩过程会使穿过边界层的光束的畸变情况发生变化,通过研究流场状态变化与光束畸变的变化之间的关联,尝试建立一种以气动光学测试方法为基础的边界层转捩诊断技术。本文具体分析了高超平板边界层转捩与细光束抖动特性之间的联系,提出了可以通过气动光学的细光束技术和高速图像拍摄技术对高超平板边界层转捩进行检测识别的新思路,并在FD-20风洞中来流Ma=8,ReL=1×107/m条件下,采用SABT(Small-Aperture Beam Technique,即细光束技术)以及HICS(High-speed Imaging Camera System,即高速图像拍摄系统),开展了平板模型边界层转捩的细光束抖动特性实验。试验模型的中心子午线上布置了有机玻璃窗口,可通过窗口测量光束通过测点及边界层后的抖动情况,结果表明再边界层的不同流向位置,细光束的抖动出现了幅值方差的变化。将这一试验结果与同一模型中心子午线的气动热测试结果相比较表明,细光束抖动特性的变化趋势与转捩区中的热流增长趋势相同,因此,采用上述气动光学检测技术对高超平板边界层转捩进行诊断和识别,存在可行性。     

基于背景纹影技术的随机介质折射率场测量

针对光线通过复杂流场时产生的光传输效应问题，提出了基于背景纹影技术的复杂折射率场测量方法，给出了根据粒子图像偏移量求解折射率场分布的计算方法和推导过程，并对该方法的分辨率与灵敏度进行了理论分析。在此基础上，对火焰上方折射率场的分布进行了实验测量，利用粒子图像测量(PIV)技术对实验图像进行处理。结果表明:实验测量得到的空气折射率最大值为100029，最小值为100009，测量有效值小于00001。表明该方法具有较高的测量精度，能够有效实现复杂折射率场的实时精确测量。      

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究，采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究，分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明，点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响，并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布；凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域，点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后，分别扩展形成凹腔驻留火焰，并向下游输运、掺混燃烧，建立预燃激波串，形成点火过程的正向压力反馈；凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响，采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布，有助于初始火核的形成，能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.     

基于BOS的过膨胀喷管出口密度测量

背景导向纹影(BOS)因其测试方法简单、测试区域宽、对流场无影响等特点,在超声速流场密度场的测量中有很好的应用前景。根据相关原理,搭建了BOS测试平台并对设计出口Ma=1.9处于严重过膨胀下的喷管出口密度场进行了测量。对实验获得的图像进行处理,获得了喷管出口区域内完整的定量密度场。运用计算流体力学对相同实验状态下喷管出口流场进行了精细的数值模拟。将其与实验结果进行了对比分析,发现实验结果与数值模拟所得的波系结构及激波强度都能够很好地吻合,特别在射流边界外的密度误差在1%以内。这证明了BOS技术能够在有复杂波系的超声速流场密度场测量中获得良好的结果,为超声速流场密度从传统的定性测量转变到定量测量提供了可靠的测试方法。