Imaging of the Space-time Structure of a Vortex Generator in Supersonic Flow

The fine space-time structure of a vortex generator (VG) in supersonic flow is studied with the nanoparticle-based planar laser scattering (NPLS) method in a quiet supersonic wind tunnel. The fine coherent structure at the symmetrical plane of the flow field around the VG is imaged with NPLS. The spatial structure and temporal evolution characteristics of the vortical structure are analyzed, which demonstrate periodic evolution and similar geometry, and the characteristics of rapid movement and slow change. Because the NPLS system yields the flow images at high temporal and spatial resolutions, from these images the position of a large scale structure can be extracted precisely. The position and velocity of the large scale structures can be evaluated with edge detection and correlation algorithms. The shocklet structures induced by vortices are imaged, from which the generation and development of shocklets are discussed in this paper.     

超声速弹头凹型光学头罩流动显示研究

在自行设计的Ma=3．8超声速风洞中,采用基于纳米技术的平面激光散射（NPLS）方法对超声速弹头凹型光学头罩流场进行了流动显示实验。高时空分辨率的NPLS图像再现了激波、膨胀波、边界层及尾迹等流场结构。观察到了边界层的产生、发展及转捩过程。通过对时间相关图像的分析,可以精确测定边界层内大尺度结构的几何特征和时间演化特征。     

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。     

(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。     

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

涡流发生器控制下横向射流穿透特性及优化

在喷孔上游放置涡流发生器(VG),采用纳米粒子平面激光散射系统(NPLS)和粒子图像测速(PIV)技术对5种构型的VG诱导横向射流的流场进行了观测,提取其穿透深度并进行对比,结果表明在喷孔上游放置VG使射流穿透深度提高了30%~60%.对VG构型的几何参数、射流/来流动压比及VG流向位置等变量进行敏感性分析,表明射流/来流动压比对射流穿透深度的促进作用最大.根据目标函数进行了优化设计,表明当VG半锥角为36°、坡度为6°、VG尾缘与喷孔中心无量纲距离为38.8、射流/来流动压比为10.6时,无量纲穿透深度存在最优值12.68.      

钝头双锥喷流致冷流场结构及密度脉动特性

采用大涡模拟方法对钝头双锥喷流致冷流场开展了数值模拟,研究了超声速喷流混合流场结构特征及密度脉动特性。大涡模拟方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runger-Kutta方法。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系结构,精细地预测了流动发生失稳、转捩以及发展为充分发展湍流的物理过程,直接获得了流场密度脉动特性。通过有、无喷流状态对称面流场的对比,发现超声速喷流能够有效冷却光学窗口;喷流与主流形成的混合层不稳定,很快发生失稳和转捩,形成大尺度湍流结构,进而引起强烈的密度脉动。此外,获得了钝头双锥整体模型喷流致冷流场的空间发展形态特征。      

临近空间螺旋桨气动性能数值分析

在实验条件不成熟和计算性能不够好的情况下,提出了一种研究螺旋桨气动性能的方法.首先对叶素周围的流场进行数值模拟,分析叶素的气动性能并得出叶素升阻系数,然后差值得到叶素升阻系数沿桨径的连续分布,再利用叶素理论对螺旋桨的整体气动性能进行分析.研究表明,所提出的研究方法不仅可以对叶素周围流场进行详细的分析,还能够较好地分析螺...     

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.     

湍流等离子体尾迹雷达散射截面的计算及其影响因素分析

针对一阶畸变波Born近似模型,深入分析了湍流内外尺度和电子数密度脉动值对雷达散射截面的影响,并且给出了关于湍流外尺度的一个经验的,能被工程上较好使用的公式.在以上分析的基础上,计算了几种高程条件下再入小钝头锥体等离子尾迹的雷达散射截面,与已有实验结果进行了对比分析.分析和计算结果表明,湍流的外尺度和局部电子数密度值对雷达散射截面值影响较大;湍流内尺度变化的影响不大.     

非平稳脉动压力数据的SPWVD时频分析技术研究

对于高速风洞中进行的非定常流动脉动压力实验,由于传统的Fourier变换无法表示脉动压力频谱特性随时间的变化规律,因此必须借助时频分析工具进行数据处理。根据非定常流动脉动压力信号的特点,通过对几种时频分析方法进行理论分析与比较,确定Smooth Pseudo Wigner-Ville Distribution（SPWVD）方法是比较合适的分析工具。通过对实验数据进行处理,发现SPWVD具有较好的时频聚集性,能够有效地消除二次型分布固有的交叉项干扰;基于SPWVD的时频分析技术能够刻画出某实验舱门开闭过程中脉动压力的能量密度、瞬时功率以及能量谱密度随时间、频率的分布特性与动态变化;在流场参数发生改变时,SPWVD能够正确地反映出脉动压力特性随流动形态的变化。     

斜、直圆柱绕流的CFD模拟

采用CFD软件CFX5.5对直圆柱和斜圆柱绕流进行数值模拟,计算了直、斜置圆柱的阻力系数、升力系数、周向平均压力系数及其脉动压力系数的均方根值,并与试验结果进行了比较.计算表明,斜圆柱绕流与直圆柱绕流有很大的差异:斜圆柱绕流的平均阻力系数减小,平均升力系数不等于零,升力系数的频域除包含有传统的卡门涡脱频率外,还包含有许多低频成份.     

MHD Flow Control of Oblique Shock Waves Around Ramps in Low-temperature Supersonic Flows

This article is devoted to experimental study on the control of the oblique shock wave around the ramp in a low-temperature supersonic flow by means of the magnetohydrodynamic(MHD) flow control technique. The purpose of the experiments is to take advantage of MHD interaction to weaken the oblique shock wave strength by changing the boundary flow characteristics around the ramp. Plasma columns are generated by pulsed direct current(DC) discharge, the magnetic fields are generated by Nd-Fe-B rare-earth permanent magnets and the oblique shock waves in supersonic flow are generated by the ramp. The Lorentz body force effect of MHD interaction on the plasma-induced airflow velocity is verified through particle image velocimetry(PIV) measurements. The experimental results from the supersonic wind tunnel indicate that the MHD flow control can drastically change the flow characteristics of the airflow around the ramp and decrease the ratio of the Pitot pressure after shock wave to that before it by up to 19. 66%, which leads to the decline in oblique shock wave strength. The oblique shock waves in front of the ramp move upstream by the action of the Lorentz body force. The discharge characteristics are analyzed and the MHD interaction time and consumed energy are determined with the help of the pulsed DC discharge images. The interaction parameter corresponding to the boundary layer velocity can reach 1. 3 from the momentum conservation equation. The velocity of the plasma column in the magnetic field is much faster than that in the absence of magnetic field force. The plasma can strike the neutral gas molecules to transfer momentum and accelerate the flow around the ramp.     

底排装置空腔干扰下的火箭燃气流场数值模拟

从二维轴对称Euler方程出发,应用隐式有限体积TVD格式和分区技术数值模拟来流马赫数Ma=2 0,攻角α=0°时超声速绕流与底排装置空腔内的火箭燃气流相互干扰的复杂流场,计算得到了清晰的流场波系结构,包括底排装置空腔中的激波,火箭燃气流在底排装置空腔外底部与外来绕流作用后形成的相交激波、反射激波等,其结果可为底排火箭复合增程弹丸的结构设计和气动特性研究提供理论依据。     

一种平稳小波方向能量阈值滤波的SAR图像去噪方法

由于SAR图像相干斑噪声是非高斯分布的,无法直接采用光学成像系统的去噪技术处理,因此,目前还没有真正的理想算法广泛适用于SAR图像去噪.在分析目前流行的空频域去噪方法优缺点的基础上,提出了1种小波域SAR图像去噪方法.为了克服离散小波变换缺乏平移不变性及方向选择性受限的缺点,该方法利用平稳小波将图像分解为低频逼近信号和...     

Numerical studies on supersonic spray combustion in high-temperature shear flows in a scramjet combustor

Numerical simulation is applied to detail the combustion characteristics of n-decane sprays in highly compressible vortices formed in a supersonic mixing layer. The multi-phase reacting flow is modeled, in which the shear flow is solved Eulerianly by means of direct numerical simulation, and the motions of individual sub-grid point-mass fuel droplets are tracked Lagrangianly. Spray combustion behaviors are studied under different ambient pressures. Results indicate that ignition kernels are formed at high-strain vortex braids, where the scalar dissipation rates are high. The flame kernels are then strongly strained, associated with the rotation of the shearing vortex, and propagate to envelop the local vortex. It is observed that the flammable mixtures entrained in the vortex are burned from the edge to the core of the vortex until the reactants are completely consumed. As the ambient pressure increases, the high-temperature region expands so that the behaviors of spray flames are strongly changed. An overall analysis of the combustion field indicates that the time-averaged temperature increases, and the fluctuating pressure decreases, resulting in a more stable spray combustion under higher pressures, primarily due to the acceleration of the chemical reaction.     

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景,采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,采用高精度WENO格式进行空间离散,并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致,来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构,并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析,揭示了流场结构特征及其时空演化规律,并获得了流场密度脉动特性。      

利用光学层析技术重构超声速绕流流场密度分布

在连续式风洞中,采用单光路旋转流场干涉测量和计算机层析方法获得了含模型的超声速绕流流场密度分布。首先利用多种图像处理方法,并引入计算机辅助功能,对干涉图片进行精确判读和定量处理,准确重构波前相位信息;获得了相应的PV值、RMS值以及前15阶的Zemike多项式系数;通过同原始CFD模型波前数据的对比,系统的重构精度RMS优于λ／10。在获得一系列单帧干涉波前相位数据的基础上,采用光学层析技术,设计计算机迭代算法,构造内部旋转矩阵,重构了超声速绕流流场密度分布,可以非常直观地获得待测流场不同方向截面上的密度分布状况。     

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。