DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构，对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算结果。     

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中，高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的，激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变，优化超声速剪切层光学性能，提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法，讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He／Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层，以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。     

自由旋涡气动窗口喷管设计研究

根据超声速自由旋涡气动窗口的实现原理以及相关气动设计理论,推导出气动窗口的质量流率公式,得到影响气动窗口质量流率的几个因素,研究了自由旋涡气动窗口喷管设计过程,利用特征线方法设计非对称喷管,得到气动窗口的喷管型面。最后对气动窗口喷管进行了初步数值模拟,模拟结果表明利用特征线方法设计喷管是可行的。     

超声速自由射流马赫数控制系统设计

简要介绍了超声速自由射流高空模拟和试验技术,分析了超声速自由射流马赫数控制的原理,给出了控制方式及建立多输入多输出马赫数控制系统的方法。设计并实现了基于单支点半柔性壁超声速自由射流喷管,及双电动缸同步伺服控制技术的超声速自由射流马赫数控制系统。吹风试验结果表明,采用的双电动缸同步伺服控制技术,可对单支点半柔性壁超声速自由射流喷管柔性壁面实现同步控制,即精确控制超声速自由射流喉道面积;同时,该控制系统还可连续、有效地控制超声速自由射流马赫数。     

自由射流试验中进气道上斜板结构影响仿真评估

为准确掌握组合动力冲压发动机自由射流试验方法,分析有限设备能力条件下超声速进气道波系试验结果的有效性,采用数值仿真方法对截去和未截去超声速进气道上斜板的冲压发动机自由射流试验布局进行了对比分析。结果表明,超声速进气道上斜板附面层的发展将影响进气道内的气流角,且气流角的改变对冲压发动机燃烧室进口截面气动参数影响明显;截去超声速进气道上斜板的自由射流试验,可采用调整气流角的方法考虑上斜板附面层造成的影响,进而减小模拟偏差。     

横向射流对凹腔湍流特性影响的数值模拟

为拓宽先进旋涡燃烧室运用领域,探索横向射流与先进旋涡燃烧室凹腔之间的相互作用,采用数值模拟方法,研究了燃料横向射流对凹腔内旋涡结构和燃料分布的影响,以及射流对燃烧室湍流燃烧流动的作用规律。结果表明,冷态射流时,凹腔内湍流强度随射流中心距凹腔的距离增大而增大,且旋涡结构逐渐趋于均匀稳定对称;横向射流可加强燃料与空气的卷吸混合,同时加剧凹腔内质量扩散输运;射流燃烧时,凹腔内可形成高温区域,但旋涡流场由冷态时的两对旋涡结构转变为单对旋涡结构,且旋涡相对不稳定。     

弹头外形不同尺度模型对二维射流流场的影响

超声速射流装置能很好地模拟榴弹引信发电机飞行时大气环境的工况，并成为地面考核和验收必不可少的设备。从二维轴对称N-S方程出发，利用二阶精度有限体积法和S-A湍流模型，对超声速射流装置的自由射流流场以及不同模型尺寸对超声速流场结构的影响进行了模拟计算。给出了激波与射流边界之间复杂干扰流场结构图，结果证明不同模型的尺寸对超声速射流流场有较大的影响。     

连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理研究

为研究连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理,在喷口间距为70mm,不同入射压力的条件下进行了自由射流对撞、二维凹面腔内的射流对撞及三维凹面腔内的射流对撞诱导激波聚焦实验。通过对比自由射流对撞辐射啸声频谱和凹面腔内射流对撞中凹面腔底部的动态压力频谱,结合纹影照片对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理进行了研究。结果表明,沿射流对撞面两侧的椭球形激波阵面的高频拉锯式振荡是连续射流对撞诱导激波聚焦的本质。当两侧的波阵面同时到达凹面腔底部发生碰撞时,激波聚焦得以完成;在一定的入射压力范围内,由于射流对撞面不稳定,两侧椭球形激波阵面不能同时到达两喷口中间的对称面,因此在自由射流对撞的辐射噪声频谱上共存两种模式的啸声。在凹面腔内的射流对撞中,凹面腔底部的压力脉动频谱上也同时存在两个频率十分接近的峰值;随着入射压力的进一步提高,两侧的椭球形激波阵面经过一段时间的协调同步后同时到达喷口中间的对称面,辐射噪声和压力脉动频谱中双频率值共存的现象消失,并统一为单一值。     

超声速射流离散频率噪声的屏蔽抑制及对流动的影响

根据对超声速射流离散频率噪声产生的反馈机理的认识,提出了一种能够有效地破坏反馈环的形成,从而抑制射流离散频率噪声的喷嘴屏蔽方法.这种方法是通过阻隔反馈声波使其不能到达喷嘴唇口、同时屏蔽物不与射流接触来实现降噪的目的.实验结果表明,对于合适的屏蔽罩参数,正常降噪效果可达5分贝以上.应用激光多普勒测速技术测量了超声速自由射流在采取屏蔽降噪措施前后轴线速度的分布,发现屏蔽后射流势核长度增加近50%,表明这种降噪方法有助于射流推力的提高,但不利于射流的掺混.     

二维凹面腔内连续超声速射流入射压力对激波聚焦的影响

为研究射流入射压力对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的影响,开展了二维凹面腔内连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的实验,分析了流场演化过程及动态压力特性。结果表明:连续超声速射流在凹面腔内对撞后出现了水平拉锯脉动模态和上下交叉脉动模态,在水平拉锯脉动模态中能实现频率为9k Hz左右的激波聚焦,实质是凹面腔内的气流周期性排出后形成的低压区导致射流喷管出口形成前导激波并在凹面腔底部聚焦;射流入射压力越小,凹面腔底部和射流对撞位置的压力脉动幅值越小,凹面腔底部激波聚焦的频率和强度越小,当入射压力减小到0.3MPa后,凹面腔内无法实现激波聚焦。     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响，在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构，进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器，燃烧室来流马赫数为2.5，常温乙烯从壁面横向射流，燃料射流点之前放置滑移电弧电极，凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明，在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性，由于气流流速极高，滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移，火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移，超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比，微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下，实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

新型斜波瓣超声速混合器设计研究及其数值计算

根据超声速两股流掺混的特点, 在波瓣喷管的基础上提出了一种新的斜波瓣型超声速混合器设计方法, 设计的原则是在较小流动损失的前提下尽可能增加混合程度.利用有限体积法对三维可压粘流N-S方程进行离散, 紊流模型为k-ε模型, 分别对欠膨胀、接近完全膨胀和过膨胀3种工况进行了计算研究.计算结果表明, 当内通道瓣腔顶端与外通道相交处成一定夹角, 射流产生鞍形激波和旋涡可以增加掺混效率, 混合器内两股超声速流的流态基本符合设计要求.在欠膨胀、接近完全膨胀的工况, 效果是令人满意的, 但对严重过膨胀的工况, 到出口截面的混合效果不理想.      

高空射流核心区控制的数值分析与试验验证

为研究高空射流核心区的变化规律,分析了不同模拟马赫数/高度状态下高空射流核心区的物理本质和影响因素。通过理论分析和CFD计算确定了建立自由射流试验需满足的进排气条件,获得了亚声速下喷管出口的核心区角度、超声速下不同马赫数典型流态的临界压比及其随喷管设计马赫数的变化趋势,以及自由射流试验中压力和马赫数等参数的模拟偏差对核心区的影响规律。最后,利用自由射流高空模拟试验验证了理论分析的正确性,为自由射流高空模拟试验研究提供了技术参考。     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中，喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用，激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对对缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量，获取了射流轴线上的速度分布，从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间嘘民前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致，但是比该经验公式值低5％以上，表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

不同攻角下端壁射流旋涡控制扩压叶栅分离流动研究

为了研究端壁射流旋涡对扩压叶栅分离流动及性能的影响,采用数值模拟的方法,对不同攻角下带有端壁射流的50°折转角扩压叶栅进行了研究。结果表明:具有最优射流结构的旋涡发生器有效减弱了叶栅角区分离,零攻角下出口总压损失降低了8.9%;随着攻角的上升,射流对扩压叶栅气动性能的改善越显著;射流产生的旋涡可阻挡端壁低能流体向吸力面的迁移,并将主流流体卷入角区,角区流体动量增加、流动分离减弱,但旋涡与端壁二次流的掺混使得10%叶高以下的损失略微增大;射流参数决定了射流旋涡与吸力面的相对位置以及旋涡强度,对射流控制栅内流动分离效果有重大影响,需合理选择。     

射流间的声屏蔽对啸叫的作用

用纹影流动显示、声学特性测量和理论分析相结合方法，研究欠膨胀超声速双射流布局对声学特性的影响。欠膨胀超声速双射流的啸叫基频模式与单自由射流相比，在模式切换对应压比上不同，但基本规律相同。但双射流的三维空间流动特性，使不同空间方位上测得的声学特性不同，射流间对彼此处于螺旋啸叫C模式的声辐射有显著的屏蔽作用，在上、下游靠近主轴的方位角处屏蔽效果最大。利用双射流的声屏蔽特性，可达到降噪目的。