高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息.本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题.从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索.并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段.     

空间辐射环境危害综合监测原理样机研制

依据空间辐射环境的分布特性及具体空间辐射效应的特征判据,设计出多功能、模块化的航天器空间环境危害监测样机。该样机可针对不同运行轨道辐射环境采用不同的探测模块组合,能够实现单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充电效应和深层充电效应等辐射危害的综合监测,且具有高集成、低功耗的特性,可为卫星平台提供有效的辐射危害实时监测告警和故障诊断支持。     

表面处理对17-4PH不锈钢抗固体粒子冲蚀性能的影响

为对比研究表面处理对17-4PH不锈钢抗固体粒子冲蚀性能的影响,在17-4PH不锈钢表面进行了多弧离子镀陶瓷/金属多层膜制备、激光表面合金化(LSA)处理和超音速火焰喷涂(HVOF)硬质合金层处理,利用划痕仪、自组装的不锈钢抗固体粒子冲蚀(SPE)装置、多冲疲劳试验机对上述三种表面处理试样的小攻角和大攻角SPE失效行为和机理进行了研究。结果表明,微切削是17-4PH不锈钢及其表面改性试样小攻角下固体粒子冲蚀破坏的主要失效机制,多冲型疲劳破坏是17-4PH不锈钢及其表面改性试样大攻角下固体粒子冲蚀的主要失效机制。HVOF WC-17Co涂层可显著提高17-4PH不锈钢30°小攻角和90°大攻角下SPE抗力。激光表面合金化层能够改善17-4PH不锈钢抗30°小攻角和90°大攻角下SPE性能,但SPE性能改善效果弱于HVOF喷涂涂层。TiAl N/Ti多层膜不能显著提高17-4PH不锈钢抗30°小攻角和90°大攻角的SPE性能。     

航天器对空间带电粒子方向探测的需求分析

空间高能粒子很强的各向异性分布,对三轴稳定卫星各个方向的影响带来巨大的差异。通过探测高能带电粒子的方向分布及能谱测量,为卫星设计制造、在轨管理和故障分析提供最有效、最直接的保障。本文还简单介绍了我国新一代空间环境探测仪器——空间粒子方向探测器。该仪器集成了高能电子、质子的多方向通量测量和精细能谱测量,首次实现了180。粒子方向测量。     

科学家观测到土星激波结构并发现其粒子加速机制

<正>据NASA网2013年2月19日报道,卡西尼(Cassini)探测器在土星附近观测到一次强烈的太阳风,其中的粒子被加速到接近光速的水平,这种效应与粒子太阳系内部超新星激波加速机制相似,这种机制可能正是宇宙射线的来源。土星磁场周围形成的这种激波环境,构成一座研究超新星粒子加速机制的天然实验室,     

基于性能及轻量化的新型风力机叶片优化设计研究

针对复合材料风力机叶片形状复杂,采用传统的复合材料层合板理论难以建立叶片质量计算数学模型的缺点,本文提出了将叶片的质量计算转化为叶片曲面的面积计算模型。基于修正的风力机空气动力学理论,在叶片全部产生功率区域内采用作者全新设计的风力机CQU-A翼型系列进行翼型沿叶片展向分布设计,验证了该翼型族具有较高的气动性能;针对变桨距风力机,以最大功率系数及最小叶片面积为多目标优化模型,建立了新型2MW风力机叶片设计及优化数学模型。采用改进的多目标粒子群算法对风力机叶片进行优化设计,优化结果表明,相比初始风力机叶片,新叶片的工作性能有了较大的提高,叶片的表面积有了明显的降低,意味着叶片的质量有了显著的减少,降低了叶片的材料成本;同时叶根载荷也得到了有效的控制。该新型叶片的研究为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。     

PIV技术在复杂二相流场中的应用

光学元器件随飞行器在大气中飞行时,其工作性能越来越多地受到大气悬浮汇聚微粒的影响。大气微粒在复杂流场中呈现何种运动汇聚效应,对于合理准确评估机载光学元器件的工作效能具有十分重要的工程意义,而复杂气动流场中微粒分布状态的预估一直是飞行器外界环境研究中的一个难点。气动问题的复杂性、大气中微粒的多样性一直是制约各种试验手段展开、数值模型建立的主要因素。利用先进的激光粒子图像技术,在风洞中对舵面旋涡主导的复杂流场中的微粒速度及分布特性进行了实验研究。在测量舵面翼梢脱落旋涡特性的基础上,通过激光片光扫描流场全域,同时高帧频CCD相机同步曝光,利用PIV 拍摄到的流场中涡流截面内微粒分布的瞬态图像。结合图像后处理技术,对原始粒子图像进行互相关、二值化处理,通过对图像区域内的灰度值计算,统计相对流场截面内的粒子浓度系数,得到在复杂旋涡结构流场内瞬态粒子的分布特性规律。研究结果表明,利用大气中微粒在激光片光下的米氏散射原理,可以有效地拍摄到复杂流场结构下粒子光学散射及分布的特性图像,解决了传统环境测试设备无法对复杂条件下流场内粒子分布进行实时测量的缺陷;在旋涡为主导的流场中,大气中的微粒由向心力牵引,在涡核周围达到平衡运动状态,微粒环绕涡核形成一条环状带,这一区域中的粒子浓度系数要远大于自由流场中的微粒,涡核中心粒子呈“空洞”状态。     

基于EFFD方法的自然层流短舱优化设计

采用extended free-form deformation(EFFD)方法研究了自然层流(natural laminar flow,NLF)短舱的气动外形优化设计方法.使用基于Bernstein基函数的EFFD方法完成了NLF短舱剖面的参数化,利用基于k-εSST(shear stress transport)两方程湍流模型的γ-θ转捩模型进行自然转捩预测,结合EFFD、一种混合动网格方法、Kriging代理模型和改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)建立了针对NLF短舱气动外形的优化设计框架.采用该框架分别对通气NLF短舱和带动力NLF短舱进行优化设计.单独通气NLF短舱优化结果的外表面实现48%的层流,阻力系数比初始通气NLF短舱减小了0.0003.带动力NLF短舱的优化结果外表面保持了41%的层流.这些结果表明采用相关技术建立的优化设计框架在NLF短舱设计中具有一定应用价值.     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

基于自适应粒子滤波的涡扇发动机故障诊断

针对涡扇发动机非线性、非高斯的特点,提出了一种自适应的粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件突变故障的诊断.为了减小算法的计算量并且保证滤波精度,分析了滤波精度和样本数目的关系,提出根据滤波过程中状态的方差自适应地调整粒子数,在保证一定的滤波精度下可以有效地减少滤波过程中使用的粒子数,提高了算法的实时性.同时,引入扩展卡尔曼滤波(EKF)用于更新粒子,产生重要概率密度函数,在一定程度上避免了粒子的退化.通过某型涡扇发动机的仿真分析表明:改进的算法相比标准粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件故障诊断时,参数估计的方均根误差减小了50%左右,且算法的计算量减小了30%.