(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

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.     

超声速混合层转捩过程实验研究的进展

超声速湍流机理的实验研究是一件十分困难的工作.在2000年以来,本研究小组在低噪声超声速混合层风洞研究、超声速流动精细结构测量技术研究方面取得了重要进展,这给超声速混合层湍流精细结构的研究奠定了基础.为了研究超声速混合层及其气动光学问题,在研制的超声速混合层风洞中,主要以基于纳米技术的平面激光散射技术(Nano-trace Planar Laser Scattering,简称NPLS)为基础,研究了几种对流马赫数的超声速混合层从层流到湍流转捩过程K-H不稳定涡的空间结构,以及K-H不稳定涡的空间结构随着时间的发展过程.实验结果清晰地反映了湍流混合的不稳定性与转捩的精细结构,以及转捩过程的展向精细结构.     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

高分辨率激波/边界层干扰时间演化过程分析

采用基于纳米示踪的平面激光散射（NPLS）技术,探索了流场超高帧频成像测试研究的试验系统,主要解决了多个单脉冲激光器并联后的稳定性和合束、阵列CCD相机的整体设计和布局以及测试系统的同步精确控制等问题,通过对系统的时序和分系统调试,实现了测试系统的精确控制。基于此系统,在单位雷诺数为6.30×10⁶/m的条件下,在马赫数为3.4的超声速低噪声风洞中开展了θ=20°激波发生器入射激波与来流壁面湍流边界层干扰相关试验研究。在试验条件下获得了序列连续时间相关的激波与湍流边界层干扰的瞬态流场精细结构图像,并分析了其流场结构的时空演化特性。     

超声速混合层增长速度定量测量与比较

为研究超声速混合层增长速度,在自行设计的超声速湍流混合风洞中,分别采用常规连续光源与脉冲激光光源完成相应的纹影和NPLS实验.采用对比度调整和边缘检测方法对实验图片进行处理,得到了适合于定量测量混合层增长速度的图像.给出了相应的增长速度测量方法,并对相应的实验图像进行了定量测量与比较.     

超声速混合层增长速度定量测量与比较

为研究超声速混合层增长速度,在自行设计的超声速湍流混合风洞中,分别采用常规连续光源与脉冲激光光源完成相应的纹影和NPLS实验。采用对比度调整和边缘检测方法对实验图片进行处理,得到了适合于定量测量混合层增长速度的图像。给出了相应的增长速度测量方法,并对相应的实验图像进行了定量测量与比较。     

高超声速边界层流动稳定性实验研究

高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术以及温敏漆等测试技术,对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术,对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量,并基于时间相关的测量结果,对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果,计算了特定位置上功率谱空间分布结果,测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果,发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态,分析了该模态的特性,并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。     

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。     

NPLS技术及其在高速飞行器气动研究中的应用

近年来,与高速飞行器相关的超声速/高超声速流动受到了极大关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验研究提出了挑战。纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）是2005年由作者所在的研究团队研发的非接触光学测试技术。它能够获得超声速三维流场的某个剖面的瞬态流动结构,并且具有较高的时空分辨率。目前,许多研究结果表明NPLS是研究超声速湍流的一项非常有效的技术。近年来,作者应用 NPLS 技术在超声速湍流研究中取得了较大的进展,并且基于NPLS开发了其它几种技术,比如基于 NPLS 的密度场测量技术（NPLS-DT）,能够获得超声速流动的密度场信息并还能进一步得到雷诺应力分布。本文介绍了NPLS技术并回顾了其在超声速边界层、激波/边界层相互作用等流动中的应用。由于能够获得雷诺压力和湍动能等统计量, NPLS技术有望在发展可压缩湍流模型的研究中发挥作用。