测量三维流场及温度场的双热线多方位转动法

针对三维非等温湍流流场,本文开发了一种双热线多方位转动测量的新方法,它可同步测量三维湍流参数、动态温度场以及它们的脉动相关量。这不仅在热线测量技术新方法的开发上、具有极广泛的应用前景,而且为湍流基础实验和研究工作(如探讨湍流脉动关联关系的基础研究)的开展,提供了新的手段。     

小波方法检测角区湍流的流动结构

本文采用热线、压力传感器和PIV方法对中等雷诺数下角区湍流流动进行了实验测量。设计了基于小波变换的一种湍流场特征结构检测方法，辨识出了角区湍流的分离涡结构及其尺度。这些涡结构的发展揭示了角区马蹄涡系运动在低雷诺数下所展示的物理过程在中等雷诺数或充分发展湍流状态下仍然存在。同时，这种湍流流动结构的小波检测方法也显示出了其有效性。     

可压缩流体热线探针校准方法研究

在可压缩流体中利用热线技术进行湍流度测量时,其输出不仅与脉动速度有关,而且也与流体温度、密度紧密相关。因此,需要在与高速可压缩流体特征相似的校准装置中,在使用前对热线探针进行准确校准。本文提出了可压缩流体热线探针校准方法,建立了热线校准(工作)数学模型,并利用自建的热线校准风洞开展了热线校准实验和湍流度测量风洞试验验证,结果表明:热线校准方法可行,校准数学模型合理可靠,热线探针校准精度较高,湍流度测量结果可信,基本可满足高速可压缩流体湍流度测量的工程需要。     

高湍流度格栅的数值模拟及设计方法研究

为探讨高湍流度格栅的几何设计方法,采用基于非结构网格的大涡模拟方法,以单平面格栅为研究对象,计算分析了不同格栅稠度、几何形状、来流雷诺数及表面粗糙度下,格栅后湍流度、各向同性特征沿流向的变化。结果表明,格栅稠度对各向同性湍流度基本无影响,稠度增加能增加格栅初始湍流度;存在优化的格栅形状、与格栅尺寸变化相关的来流雷诺数及格栅表面粗糙度,能改善湍流各向同性特征,进而提高格栅湍流度。     

测量三维湍流场的热线响应方程及热线校正方程

从Ｊｏｒｇｅｎｓｅｎ等效冷却速度公式出发推出了高阶精度的热线响应方程,它适用于密度不变低速条件下求解湍流场中时均速度和雷诺应力张量。应用该热线响应方程时不严格要求热线探头轴线与流场速度矢量完全一致,因此可简化热线测量的支撑和传动机构。导出的显式热线校正方程可保证校正精度。     

X型热线探头的方向系数及其对湍流测量的影响

热线的方向系数对湍流测量精度很大的影响。对于Ｘ型探头，热线的方向系语在校准曲线里，这给热线校准带来一定的困难。本文提出一种同时求出Ｘ探头的热线方向系数和校准曲线的逐步逼近法，并测得两根热线的方向系数为０．３０７和０．２５８，此值单针探头的方向系数不同，在三角形钝体尾流的测量中，本文还评估了方向系数对雷诺应力测量值的影响。实验表明，如果不考虑方向系数，最大误差可达１０％。     

来流湍流度对超高负荷低压涡轮附面层流动控制手段的影响

实验研究了表面粗糙度耦合上游尾迹的流动控制技术,分析了来流湍流度（FSTI）在流动控制过程中对叶片吸力面附面层分离、转捩特性的影响.实验发现:在速度峰值点至分离点之间布置粗糙高度与弦长之比为1.05×10-4的粗糙条带可以在来流湍流度为0.4%与2.2%的低雷诺数范围内降低叶型损失.在雷诺数为85000的状态下,FSTI影响了尾迹通过区、尾迹诱导转捩区及自然转捩区的附面层动量厚度,造成了叶型损失的差异,但FSTI对抑制区的影响较小.      

基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法

热线风速仪主要用于湍流流场测量。热线测量的主要误差来源是由环境温度变化导致的热线校准参数的变化。Brunn提出的传统温度效应修正方法在环境温度变化较大的情况下会带来明显的误差。本文经过理论推导,提出了一种新的基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法,并开展了热线校准实验研究。结果表明:当环境温度变化在4℃范围内时,本文提出的方法与Brunn方法的测量精度相当;当环境温度变化超过4℃时,本文提出的方法的测量精度远高于Brunn方法。     

定常来流条件下低压涡轮附面层分离流动控制手段的实验研究

高空低雷诺数状态下,低压涡轮吸力面流动分离严重,利用被动控制手段可以有效缓解流动分离,提高叶型效率。为了降低低雷诺数下吸力面的流动分离,实验研究了粗糙度在定常来流条件下对低压涡轮叶型损失及吸力面附面层分离的控制效果。实验依托一台低速叶栅风洞,考察了9种粗糙度控制方案对PACKD-A超高负荷后加载叶型的流动控制效果。实验发现在来流湍流度2.2%,5.0×104~1.6×105的雷诺数测试范围内,覆盖19.5%吸力面弧长范围,粗糙高度(Ra)为20.91μm的粗糙条带是一种最优布置方案。这一优化的流动控制手段可以在一定程度上兼顾降低叶型损失,扩大涡轮叶片正常工作范围的作用。     

圆自由射流多尺度涡结构迁移特性的实验研究

在流场背景湍流度比较大或流场中涡结构的尺度范围比较宽的情况下，为了研究湍流场中不同尺度涡结构的迁移速度，用IFA300双通道恒温热线风速计和两个热线探针测量圆自由射流中心线上距离一定的空间两点同一时刻的流向速度分量，用子波分析提取了每一个探针输出的不同尺度的脉动速度信号，计算了两个探针输出的同一尺度脉动速度信号的互相关函数，利用互相关函数达到最大值对应的延迟时间研究了湍流多尺度涡结构的迁移特性。实验结果表明：不同尺度涡结构具有不同的迁移速度，小尺度涡的迁移速度较大，大尺度涡的迁移速度较小。其中，一部分尺度的涡结构是湍流中的主要结构，该尺度涡结构对湍流的贡献也是主要的，其迁移速度与实验测得的湍流平均速度较为接近。     

壁面粗糙度湍流扩展模型及流动数值模拟

采用有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes流动控制方程,数值模拟表面粗糙度对气动特性和热力学特性的影响。通过修正Knopp的基于切应力输运k-ω湍流模型的粗糙度湍流扩展模型中边界条件ω的值,提高了壁面附近的涡黏度,增加了总壁面切应力,从而引入壁面粗糙度的影响。通过对不同粗糙度的平板流动和NACA 65_2215翼型绕流进行数值模拟,分析粗糙度对表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数的影响。计算结果表明:粗糙度使得平板表面摩阻系数和斯坦顿数增大,翼型流动分离提前,升力系数减小。流经粗糙壁面的流动处于过渡状态时,改进的粗糙度湍流扩展模型改善了原模型速度偏移量与经验公式相比偏小的缺点,同时,表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数与实验结果吻合得更好。该改进模型不需要对壁面附近网格进行加密,能够快速、准确地模拟流经粗糙壁面的流动。     

改进油流显示法研究层流和湍流下绕椭球分离流

用改进的油流显示法研究和对比了层流和湍流状态下绕椭球流动的表面摩擦力线结构 .实验中观察到 ,椭球表面摩擦力线在层流和湍流状态下具有不同的拓扑结构。只看流动对称面一侧 ,在层流状态 ,Re=1 .4× 1 0 6,迎角为 3 0°和 2 0°时都有三条分离线 ;而湍流状态同样实验条件下只观察到两条 ,并且分离线的位置推向下游 ,二次分离线长度也大大缩短。实验还观察了物体表面颗粒状突起对表面摩擦力线的影响 .层流状态下 ,雷诺数为 1 .4× 1 0 6时 ,分离线附近的颗粒状突起会显著影响分离线的形状 ,当雷诺数减为 0 .9× 1 0 6时 ,颗粒对分离线只有微弱的影响 .实验观察到的颗粒影响局限在壁面附近。本文用涡相互作用对之作了解释     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

风洞红外热成象实验技术的初步研究

本文介绍风洞实验红外热成像测技术的工作原理，特点和在西北工作大学速翼型风洞和低湍流度风洞应用红外热像仪诊翼型边界层转捩与ＣＦＤ和热线风速仪测量结果的比较和分析。     

脊状表面的加工成型技术及其减阻试验研究

为了研究脊状表面的减阻特性,采用数控加工技术在有机玻璃平板上制备脊状表面.在制备过程中,成功解决了脊状结构尺寸的确定、材料的选择、表面粗糙度的提高等问题.利用热线风速仪在低速风洞中分别对光滑表面和多个脊状表面进行了流场测试,获得了湍流边界层内流动参数的分布情况.试验结果表明,脊状表面改变了边界层内的流场结构,抑制了湍流...     

悬停状态旋翼尾迹边界测量

介绍了用试验来定量确定悬停状态旋翼尾迹边界的方法，从物理本质分析了悬停状态旋翼尾迹的湍流特性，阐述了如何用热线风速仪来测量尾迹的湍流度并用湍流度来确定桨尖涡的位置和尾迹边界。揭示了悬停状态旋翼尾迹边界的一些特点，最后将试验结果与国外的相应研究结果作了比较，发现两者吻合得较好。     

壁湍流标度律的实验研究

对风洞中零压力梯度平板湍流边界层进行了实验研究，用热线风速仪测量了不同法向位置的脉动速度，研究了平板湍流边界层不同法向位置速度结构函数的标度律。     

光滑通道内格栅湍流特性实验

为了更好地模拟实际涡轮叶片内冷通道的流动换热,采用格栅对光滑通道内湍流度进行控制。并通过实验的方法对不同格栅尺寸激发的湍流度进行测量。实验中,在边长为80mm×80mm的方形通道中,放置了3种不同尺寸的格栅,利用热线风速仪,得到了通道雷诺数为5000~30000范围内的格栅后下游湍流特性。研究发现:流体通过该格栅后,气流在流经格栅后较短距离内就获得了4.5%的湍流度,同时湍流度沿程呈现衰减趋势,雷诺数对湍流度的影响较小。湍流积分时间尺度与雷诺数呈负相关的关系。      

圆柱尾流中眼镜蛇探针与热线的性能对比

在雷诺数为7200的圆柱尾流中对眼镜蛇探针与热线的测量结果进行了详细对比,主要包括：时均速度、雷诺应力、概率密度函数、自相关函数和能谱等。从对比结果可以发现眼镜蛇探针数据的拒绝率随湍流度增大而增大,但在本实验中其对时均测量结果无明显影响。尽管眼镜蛇探针数据有效率在95%以上,但相对于热线其明显高估了雷诺应力。尤其是主雷诺剪切应力u＊v＊,眼镜蛇探针与热线测量结果的差异要显著大于两者在雷诺正应力上的测量差异。由于无法反映高频随机脉动的影响,眼镜蛇探针所测信号自相关系数的周期性明显强于热线。眼镜蛇探针对速度u和v的响应存在区别,使得两者能谱在惯性子区内有显著差异,不能像热线一样反映出惯性子区内小尺度湍流的各向同性。     

可压缩流湍流度变热线过热比测量方法

开展了可压缩流中湍流度测量技术的研究,以满足高速风洞高精度试验能力的需求。以对流换热规律为基础,从理论上对可压缩流中热线金属丝热平衡关系式进行了推导,以此为基础,详细推导了恒温热线风速仪的响应关系式,得到了质量流量和总温灵敏度系数的显式表达式,建立了可压缩流中湍流度的求解方法。在马赫数为0.3~0.6范围内进行了湍流度测量试验,以响应关系式为数学模型,利用双曲线拟合方法对试验数据进行了拟合分析,求解得到了马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.3%~0.6%。对热线输出电压进行了频谱分析,根据频谱特性,利用低通滤波对频域信号进行了处理,有效降低了时域信号脉冲尖峰对湍流度求解的影响,滤波后求解得到马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.1%~0.3%,与前期测量结果相符。试验结果证明了所建立理论方法的正确性及利用恒温热线风速仪变过热比方法测量可压缩流湍流度的可行性。