水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。     

LDV在静态混合器流场测量中的误差放大现象

LDV在静态混合器流场测量中,测得速度由非正交坐标系向三维笛卡尔坐标系变换时将引起测量原始误差被放大.结合误差传递的原理对该现象进行了理论上的研究,并通过实验测量和数值模拟对研究结论进行了验证.结果表明:LDV在测量中的速度方向转换能引起测量原始误差在某方向速度值中被放大;放大倍数与用来测速的两束光之间夹角有很大关系,当夹角较小时,原始误差会被放大十几倍甚至几十倍,且夹角越小,放大倍数越大.     

LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动的应用进展

离心压气机流场的精细测量对深入理解内部流动特征极其重要。传统的接触式流场测量技术存在空间分辨率低、堵塞效应严重、测量位置单一等缺陷,已经不能满足现代先进离心压气机的测量需求。激光多普勒测速技术（Laser Doppler Velocimeter,LDV）和粒子图像测速技术（Particle Image Velocimeter,PIV）作为两种典型的非接触式测量技术,具有测量精度高、适用范围广、非接触测量等特点,在离心压气机内部流场测量方面展现出巨大潜力。通过梳理国内外LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动应用现状,介绍了LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测试方面的应用进展,着眼于试验方案、试验细节和技术难点,结合测量技术的未来发展趋势,从实际应用角度出发,对LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测量方面的应用进行了总结和展望。     

应用LDV测量内流分离流的实验研究

本文叙述了使用二维激光多普勒测速系统(LDV)测量曲壁扩张管中湍流分离区的试验研究。讨论了在测试过程中 LDV 系统的参数设置、粒子投放以及近壁面测量时的光路调整等技术。给出了实验结果并作了初步分析。     

两相流动中固相和液相速度的同时测量

本文发展了一种同时测量两相流中固相和液相速度的方法。在通用的双光束LDV 基础上,采用前后向散射接收和门控、幅值鉴别和直方图鉴别等功能实现两相速度信息的区分。应用此系统测量了二维收缩、扩张管道中两相流动的速度分布。     

LDV系统在流场测试中的频移分析

本文讨论了二维激光多普勒测速系统(以下简称 LDV 系统)中光-电子混合型频移组件的原理及频移技术的应用;总结了 LDV 系统在流场测试中各参量之间的内在联系,分析了采用频移技术的优点及局限性;最后给出了两个实验例证。     

应用LDV和PIV技术测量波-流系统的粒子速度

将激光多普勒(LDV)技术同粒子成像测速技术(PIV)结合起来测量波动过程的粒子速度,得到了波槽中规则波的速度振幅剖面和二维空间速度向量分布。实验表明,应用电光调制获得频移的 LDV 系统可以方便地得到周期性交变的连续的实时速度信息,而采用较大直径粒子作为示踪体拍摄到的多次曝光成像照片有助于了解全场平均流动的特征。实验发现,在波流共存的条件下,增大波振幅时,速度剖面有显著的平均速度亏损现象。     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

冲击射流火焰流场的LDV实验研究

搭建了基于激光多普勒测速仪（LDV）的冲击射流火焰流场实验平台,开发了固态粒子发生器、粒子回收装置和精密位移机构等装置,对单孔喷嘴（功率200W）、同轴喷嘴（功率1200W）的自由射流火焰流场和冲击射流火焰流场进行高精度测量,测量数据具有较高的准确性和可重复性。在冲击射流模式下,利用多个位置点的平均速度分量测量值进行流场重构,获得了冲击射流火焰流场基本特征。实验发现:在靠近冲击壁面区域距中心滞止点约1倍喷嘴直径处出现水平方向速度峰值,该点处可能会形成短冲击距离下换热强度的第二次峰值。在同轴射流工况中,外环同轴射流和中心射流间存在一个内部剪切混合层:在自由射流火焰模式下,该混合层随着射流的发展而耗散;在冲击射流火焰模式下,由于受到滞止区的作用,混合层向外扩张。     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度,常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求,飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging,FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统,分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱;基于FLEET测速系统,在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验,通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场,开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验;研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加,荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散;FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低,但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致;FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。     

瑞利散射测速技术在高超声速流场中应用研究

采用基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma5、Ma6、Ma12的流场速度和湍流度的测量,了解了瑞利散射速度和湍流度测量系统在高超声速流场中应用的情况,结果表明目前该风洞流场湍流度在1%以内,速度测量结果与流场校测偏差最大1.3%;对激波后返回舱模型绕流速度进行了测量,Ma6来流的测量结果与数值模拟结果吻合较好,而Ma12来流的测量结果与数值模拟结果相差69%,对原因进行了分析。在实验中发现目前Φ0.3m高超声速低密度风洞的流场存在一定程度的冷凝现象,并对后续研究工作提出了建议。     

非均匀流场中燃油浓度测量的试验技术

本文设计了在非均匀流场中,能同时测量其速度分布、浓度分布和温度分布的取样感头,建立了相应的测试系统,分析讨论了该系统的测量精度及其影响因素。在常温和高温气流作用下,测量了非均匀流场中燃油浓度分布、速度分布及温度分布。燃油浓度在常温时误差在±10％以内,高温时误差在±6％以内。     

应用热线风速仪对熔喷流场的温度速度同步测量方法

热线风速仪是将速度信号转化为电信号的测速设备,在流场测量方面应用广泛.同步测量方法的实验系统主要包括自加热设备、Dantec热线风速仪和二维探头.本文介绍了同步测量方法,进行了变温度流场的数据处理.结果表明,在变温度流场中必须进行温度速度的同步测量,关键在于在对应温度下标定速度,另外在处理变温度流场数据时要代入变温度标定系数.实验结果证明速度和温度分布可以通过同步测量方法快速有效地获得.     

三角翼前缘脱体涡涡核速度的激光测量

本文用二维激光多普勒测速仪(LDV)在低速风洞中测量了三角翼旋涡剖面的速度分布,确定了涡核位置和涡核的大小,给出了三角翼旋涡空间位置随迎角的变化。     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术,在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析,并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明,基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度,结合仿真分析,可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

高强驻波声场中的湍流

反射端声压级高于140dB以后驻波管中的声流结构会发生明显变化。利用流动显示和LDV（Laser Doppler Velocimetry）技术对该问题进行了实验研究。流动显示结果表明，在160dB左右的高强驻波声场中随着旋涡结构的合并、破裂等现象的出现，声致流动有明显的湍流特性。LDV测量结果显示，随着驻波管中声压级的提高，一些测点的速度频谱明显加宽，出现高频速度脉动，而另一些点的速度频谱则没有显著变化。径向湍流强度测量结果显示，此时管中流动已是复杂的三维结构,而非轴对称的二维结构。     

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究,经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(DigitalParticleImageVelocimetry)系统,实现了速度场和涡量场的实时测量,而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中,其中包括:1.5M超声速喷流实验、三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验、大型工程水洞流场校测、绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等[1～3]。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪（LDV）对直径D300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0．5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z〉10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显。     

皮托管测速技术在低速水洞流场校测中的应用

将皮托管测速技术成功用于大型低速水洞流场校测.通过采取一系列技术措施,有效地提高了皮托管测量低水流速度的可靠性和精度.经测量精确度分析以及与LDA结果比较,表明在水流速度0.5m/s以上,所采用的皮托管系统测量精度能够满足流场校测的要求.测量结果表明北航1.2m×1.0m多用途低速水洞实验段流速不均匀度和稳定性均达到设计指标.该工作为今后同类大型水洞流场校测探索出一条简单可靠的技术途径.     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对直径D 300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布.测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0.5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z>10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显.