(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。     

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应，为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果，实验使用高频交流电源，基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射，研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用，火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强，从而扩大了剪切层燃烧宽度，同时燃烧释热速率会明显提高，这主要与等离子体活化效应有关，并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时，等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角，使火焰高度降低、宽度增大，且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

在马赫数为2.5的等截面隔离段风洞中开展了无控制和安装T形涡流发生器两种情况的瞬态流场结构显示与压力测量的实验研究。运用常规纹影和基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）对两种不同状态的隔离段激波串三维流场精细结构进行了显示测量。结果表明:较传统纹影的测量结构而言，NPLS精细测量能够得到湍流边界层、激波串、分离区等细节结构。T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用，激波串前缘结构为分叉正激波，紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似。同时采用高频压力传感器对两种隔离段中激波串的壁面压力进行了测量，采用常规统计分析方法和差分平方累和方法对激波串压力分布、脉动及其上传特性进行了分析。分析表明，差分平方累和方法可以有效检测激波串的前缘位置。     

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.     

非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响,基于同轴旋流式等离子体喷嘴,采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体,分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究,最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明,AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体,丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似,乙烯等离子体兼具热效应和气动效应,其热效应主要集中在放电核心区域,对射流加热作用微弱,对燃烧的影响可以忽略不计;气动效应显著,主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度,射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升,且在低当量比时较为明显,射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

S1223翼型低雷诺数下分离泡及气动特性

采用表面测压技术,测量了低雷诺数下(Re=6.0×104、1.0×105、2.0×105)S1223翼型的表面压力分布,通过时均化处理及瞬态处理方法,分别获得了翼型稳态和瞬态压力系数、升力系数,分析了流场结构随雷诺数及攻角的变化规律,研究了雷诺数及攻角对翼型升力的影响机理.结果表明,从时均升力系数随攻角的变化规律来看,S1223翼型在低雷诺数下存在"静态滞回"效应.攻角由负逐渐增大至0°时,下翼面由完全分离转变为出现层流分离泡,随后分离泡逐渐减小直至消失,导致升力系数斜率呈现随攻角逐渐增大的非线性现象.当攻角超过临界攻角后,不同雷诺数下翼型流场结构随攻角的变化规律存在本质不同,Re=6.0×104和1.0×105时,翼型周围流场迅速发生大范围流动分离,升力系数迅速减小;而Re=2.0×105时,上翼面周期性生成短泡,引发低频振荡现象,升力系数呈现准周期性变化,α=16°时上翼面时均流场呈现40％弦长的长泡结构.     

扩张型面内超声速气流中液体横向射流穿透深度试验研究

面向未来冲压旋转爆震发动机应用,本文设计了带隔离段及等直燃烧室的矩形带扩张型面,开展常温常压吸气式超声速风洞中的液体横向射流试验,借助高速摄影、阴影方法研究来流参数、喷孔参数对喷注雾化穿透深度及液雾扩展效果的影响。研究表明：隔离段到燃烧室的过渡构型在气相流场中产生了较强的膨胀波和压缩波,直接扰动射流的二次雾化,液体射流破碎、雾化和液雾掺混的过程受到影响。总温总压一定时,来流马赫数增大、喷注压降增大均可提高液气动量通量比,从而增大射流穿透深度。同样的穿透深度情况下,利用小喷孔高压降喷注方式可以较为明显地减小激波角度。与增大孔径相比,同样的流量条件下增大射流压降可有效增加穿透深度提升程度,获得更好的液雾掺混效果。     

喷注角度对超声速气流中液体横向射流的影响

为探索超声速气流中变角度组合射流对喷注雾化过程的影响，采用高速摄影和基于KH-RT破碎模型的欧拉-拉格朗日数值仿真方法开展研究，仿真结果和实验吻合较好。研究表明，同一流量下逆流喷注，可以较为有效地增强混合效果，提升射流穿透深度。带扩张型面内液雾穿透深度呈现先增大后降低的趋势。等流量条件下顺流双孔喷注有效截面面积大体一致，略低于单孔直喷。等效流量下逆流喷注所得液雾截面面积收益最为明显。截面平均粒径方面，单孔喷注雾化粒径基本一致，顺流双孔喷雾粒径较小。等压降顺流对喷由于流量较大，雾化质量相对较差，平均粒径最大。