大型水洞中螺旋桨尾流场PIV测试研究

以标准桨DTMB-P4119为试验对象,开展了螺旋桨尾流场测试分析。试验捕捉到了清晰的螺旋桨梢涡和尾涡的流动结构以及梢涡、尾涡片在尾流中的演化。分析比较了三种载况下的尾流特征,利用捕捉到的梢涡涡心坐标计算了部分涡线的螺距角。文章将测试结果与LDV测试数据进行了比较分析,结果表明,PIV与LDV对微观流动结构的测量取得了比较一致的结果。     

基于LDV技术的螺旋桨尾涡测试

对螺旋桨尾流场LDV（Laser Doppler Velocimeter）测试数据进行了详细的分析,比较了均匀来流下螺旋桨尾流中两个横断面上的流动信息,以及同一横断面上不同半径处轴向、径向速度沿周向的分布,试验数据不仅显示了尾流场宏观流动现象,而且也清晰的显示了诸如在周向仅有8°跨越的速度突变等微观流动信息,数据分析显示试验结果与理论分析比较吻合。试验所获得的定量信息可以为尾流场复杂流动现象的揭示、螺旋桨非定常性能的预报以及螺旋桨设计提供参考。     

几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用

介绍了现代流动测试技术的特点、发展趋势及本课题组在流体动力设备研发方面的应用研究工作。主要工作有：热线风速仪技术(HWA)用于离心压缩机扩压器流场测试研究、用于湍流边界层的减阻控制研究；粒子图像速度场仪技术(PIV)用于叶轮机械动静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射流的研究；激光多普勒测速仪技术(LDV)用于风机叶轮流场的测试研究等。     

用PIV技术测量径向进气旋转盘腔内的流动

将PIV(particle image velocimetry,粒子图像测速仪)技术应用于多功能旋转换热实验台,测量了不同工作状态下径向进气旋转盘腔间的速度场.介绍了实验装置、实验方法和误差分析方法;给出了旋转盘腔间速度场的瞬时值和平均值,测量结果表明了PIV技术能够测量复杂旋转盘腔间的流场,并定量分析影响因素(旋转雷诺数和流量系数)对速度场的影响;同时,分析得出激光反光的控制和示踪粒子的均匀稳定散播是实验成功的关键因素.      

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

基于2D-LDV技术的船舶螺旋桨三维流场结构分析(英文)

利用2D-LDV设备,通过优化布置测试点,获得了均匀来流下螺旋桨尾流场三维流动数据。展示了宏观的流场动态以及微观的流动信息,如尾涡和梢涡在流场中的分布情况、尾涡部流动的剪切效应、梢涡部的绕流及流动分离状态。计算了水动力螺距角以及螺旋桨附着涡的总环量。试验显示了LDV技术在流动细节测试方面的优势,获得的定量信息可以为相关研究人员提供技术支持。     

日新月异的流体力学测量手段

试验流力学的测量手段,从早期的热线膜风速仪(HWFA),发展到激光多普勒测速仪(LDV),上个世纪发展起来的粒子图像速度场仪(PIV),一直在寻找能够一次得到一个体内整个流场内的速度场分布测量手段.     

吹积炭孔面积对双级旋流器出口流场影响试验

采用粒子图像测速仪（PIV）试验研究了喷嘴套吹积炭孔面积对双级旋流器出口流场的影响.试验结果表明:随着吹积炭孔面积与双级旋流器开孔面积之比由0增大到0.24,回流速度下降,进入双级旋流器内部的回流气量减小.当吹积炭孔面积与双级旋流器开孔面积之比大于等于0.18,吹积炭气流会扰乱双级旋流器出口附近流场,破坏双级旋流器出口对称的双涡结构,吹积炭气流对双级旋流器出口流场的影响范围为X/D=0~0.8.      

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.      

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,本文基于DDES（延迟分离涡方法）建立了螺旋桨空化流场数值预报模型。为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨（VP1304）螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。随后基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析。计算结果表明：结本文所建立数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生的越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。     

正弦型来流条件下大气表面层特性的研究

导出了正弦来流条件下的大气表面层平均风速及湍流强度的计算式。在环境风洞中使用粒子图像速度仪（PIV）对正弦来流条件下的大气表面层平均风速廓线和湍流强度进行了测量。结果表明：正弦型来流条件下所模拟的大气表面层在不同高度上风速均呈正弦规律波动,测量得到平均风速与导出计算式结果一致,相当于在定常风速廓线基础上叠加一个周期与主流风速一致、振幅随高度变化的正弦波动函数。每一个相位的湍流强度沿高度的分布均与定常来流条件下的湍流强度有着相似的变化规律,且湍流强度的大小随相位变化呈现一定的波动性。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma-3．8超声速风洞中,采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布。PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求。本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理。实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布。     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术（PIV）捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12．0进行的数值模拟方法。所研究的叶片为典型的GE—E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布。数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型。通过与实验数据的比较发现：RNG肛∈模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合。此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响。计算结果显示：通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6．12％的主流泄漏。     

用PIV实验研究边界层内结构函数标度律

湍流标度律的变化情况显示了湍流边界层内的流动状况。利用高分辨率、高帧率的粒子图像测速技术（PIV）对平板湍流边界层进行了实验研究。研究结果显示,当脉动速度增量结构函数的阶数为正整数且逐渐增大时,由实验所得的脉动速度增量结构函数的标度指数逐渐偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律;而当结构函数的阶数为正分数时,实验所得的标度指数和K41及SL标度指数较为接近;当结构函数的阶数由0趋向于-1时,实验的标度指数明显偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律。这也说明了用低阶结构函数的标度指数也能说明标度律的奇异性及边界层内存在间歇性。对于法向速度增量和涡量分量来说,不管结构函数的高阶或低阶的标度指数都不随壁面位置的不同而改变,具有普适性。     

防风网对煤堆遮风效果的风洞实验研究

为了考察防风网对堆场煤堆的遮风效果,进行了防风网与煤堆之间区域的流场可视化实验。使用风洞模拟大气边界层条件,并将开孔率为38．5％的防风网模型布置在煤堆模型前方。实验中采用粒子成像测速（PIV）系统测量了防风网和堆场区域的平均风速分布,并且获得了煤堆表面的摩擦风速分布,进一步估算煤堆起尘量的变化情况。实验发现,防风网可有效降低煤堆表面迎风区域的摩擦风速,而对背风面的流场分布影响较小。研究结果可为防风网的遮护作用提供一定的实验支持。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱。     

激光多普勒流速仪系统参数优化实验研究

为获取激光多普勒流速仪光电倍增管电压、脉冲信号阈值和信噪比等级等系统参数对测量结果的影响,在自循环环形水槽中,采用对比实验,测量了相关系统参数对采样数据率、时均流速和脉动流速的影响程度。实验结果表明：光电倍增管电压在570-630V时脉动流速测量结果相对稳定;较低的脉冲信号阈值能提高采样数据率,实验时应根据采样数据率进行调节;信噪比等级对时均流速和脉动流速无影响,等级为Very Low时能满足水流实验需要。优化激光多普勒流速仪系统参数设置,将提高采样数据率和测量精度。     

有植被明渠纵向流速垂向分布特性的PIV试验分析

有植被河道水流的流速分布是确定植被河道阻力和过流能力的基础。在室内矩形断面水槽中模拟了有树桩存在的河流环境,采用粒子图像速度仪（PIV）测量了同一流量情况下,非淹没及淹没刚性植被稳恒流纵向流速垂向分布。试验结果表明矩形断面非淹没刚性植被水流时空平均纵向流速垂向分布符合“J”形分布,淹没刚性植被水流时空平均纵向流速垂向分布符合“S”形分布,植被中不同位置垂线的时均纵向流速分布不同。笔者给出的流速资料可作为植被水流数值模拟对比的参考。