高温高速气流总焓接触测试法对比分析

发动机尾焰、燃烧加热、电弧加热器等高温高速气流总焓测量存在较大误差,采用结构优化的质量吸入水冷焓探针,标定后的驻点热流和驻点压力探针(Fay-Riddell公式法)对高温高速气流总焓进行了对比测试。结果表明:焓值为2.5~5 MJ/kg时,焓探针的测试误差约为3.38%,采用Fay-Riddell公式法获得焓值的误差约为3%。焓探针与Fay-Riddell公式法平均偏差约为4.65%。在地面模拟试验时采用两种测焓方法确定测试精度,对减小高温高速气流测焓误差,提高试验模拟精度具有积极的作用。     

高焓激波风洞有效试验时间的诊断

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温真实气体效应以及再入物理问题的有效试验装备,但是激波风洞的试验时间较短,且随着气流焓值的提高大幅降低,仅为几毫秒,因此试验测试数据曲线中有效时间段的分辨十分重要,它直接影响到试验结果的可靠性及精度。鉴于此,采用压力测量、静电探针测量、非接触光学测量和热流测量的方式,针对中国科学院力学研究所JF-10高焓激波风洞16 MJ/kg总焓、7700 K总温的流场状态,对比研究了风洞喷管的起动时间以及有效测试时间。试验结果表明:静电探针测量方法最为有效地分辨了喷管起动时间段、有效试验时间段以及驱动气体的到达; JF-10高焓风洞在16 MJ/kg的状态下,喷管起动时间约为1.3 ms,风洞有效试验时间约为2 ms。     

激波风洞高焓流动及其驻点对流和辐射热流测量

在激波风洞中用氢氧燃烧驱动方法获得了总压１４ＭＰａ，总温高达７２００Ｋ的高超声速高焓平衡流，可以模拟再入飞行速度４至５ｋｍ／ｓ的真实气体效应，本文还介绍了高温气流中驻点对流和辐射传热测量技术及其测量结果。     

小型探针在小尺寸压气机性能试验中的应用

根据某小尺寸压气机试验测试的需要,先后研制了两种（1、2探针）结构形式的总压、总温复合探针。分别介绍了两种探针的优缺点和校准结果,并对探针进行了数值模拟和出口流场测量,对比分析了两种探针测取的总压、总温及总性能间的差异。结果表明：两种探针均能满足小尺寸压气机出口流道堵塞比要求,有效地测取出口流场参数。     

高超声速电离绕流中电子密度的静电探针测量方法研究

高焓激波风洞是开展高超声速电离绕流研究的重要地面模拟设备。在中科院力学所JF-10高焓风洞上通过新的破膜技术获得了稳定运行的试验状态,利用施加高频扫描电压的静电探针来探索模型边界层内的电子密度测量方法研究。为解决高频扫描时线路由于RC特性所带来的噪音干扰问题,针对测试环境发展了新的探针电路。结果表明：新型探针电路大大降低了线路干扰噪音,能够有效测量模型边界层内的电子密度分布规律。     

射流预冷试验用温度探针的设计与测试

针对航空发动机射流预冷试验中气流温度难以测量的问题，设计了1 种温度探针，并提出了测温方法，给出了计算气流 总温的修正公式。在射流预冷试验台上开展了试验验证，该试验台具有加温、喷射冷却水、使用温度探针测量喷水后混合气流温度 的能力。测温试验结果表明：除临近机匣内壁面的测点外，当水气比小于5.5％时，温度探针的测点不遇水。为验证测量方法的准确 性，在不同水气比条件下对测量结果与数值模拟结果的偏差进行了比较，并针对截面平均总温的偏差建立拟合曲线。比较结果表 明：当水气比在3％以下时，测试结果与模拟结果基本吻合，证明了本测试方法具有可行性。     

智能型五孔压力探针测试仪的研制

介绍了一种用8098单片机处理不对向测量五孔压力探针信号的测试仪器，它可以直接用数码管显示所测空间流场的总压、静压、α角、β角、速度和各测孔压力值，由于采用了高精度的带温度补偿的压力传感器，前置放大器，提高了仪器的测量精度，该仪器输出有串口和并口，容易实现快速记录和与上位计算机通讯。本仪器可通过圆柱三孔压力探针及速度管对空间气流的α角、总压、静压和速度进行测量，所以该仪器是一台多功能的测试仪。     

高焓流场球头外形气动热试验研究

再入地球大气层时,飞行器的再入速度极高,面临严重的气动加热问题。为了研究高焓流动导致的热化学非平衡现象,在高焓膨胀风洞FD-14X中开展了球头外形的热流测量试验以及CFD仿真模拟。FD-14X为中国空气动力研究与发展中心新建成的高焓膨胀风洞,速度模拟能力达到第二宇宙速度,总温模拟能力超过10 000 K,能够产生总焓70 MJ/kg的试验气体。试验来流总焓16.9～63.5 MJ/kg,球头直径20～50 mm,流场采用自发光拍照,同时CFD仿真采用Park双温非平衡模型计算球头绕流流场。试验与仿真结果表明：来流总焓大于5 MJ/kg时,球头绕流场存在显著的热化学非平衡现象;304钢模型壁面在来流总焓小于20 MJ/kg时表现为非催化壁面特性,在来流总焓大于30 MJ/kg时表现为催化壁面特性;当球头表面镀氧化锆膜、来流总焓49.5 MJ/kg时,球头壁面表现为非催化壁面特性。     

压力探针临壁效应的试验研究

在窄通道中测量时（如全台压气机试验），临壁效应会使压力探针的测量结果发生误差。对几种常用型式的压力探针的试验研究表明，由于探针多属非流线形物体，所以其临壁效应的机理与流线形的机翼不同，不应简单套用机翼临壁效应的结论。临壁效应所造成的测量误差与探针的形状有关。     

高超声速飞行器尾喷管中磁流体发电机性能数值研究

高超声速飞行器因无涡轮而失去发电能力，利用尾喷管中磁流体（Magnetohydrodynamic,MHD）发电机进行发电可以有效解决这一问题。本文采用Fluent商业软件对高超声速飞行器尾喷管中MHD发电机的性能进行了数值研究。研究发现，当磁流体发电通道入口气体的马赫数设置为1.1时，入口气体的马赫数被迫降低至亚声速时，其才能流进通道，但气体的速度沿流向不断上升，并在发电通道出口处达到当地声速。局部磁场使MHD发电机两端出现了端部效应，导致MHD发电机的进出口附近产生了涡电流，进而降低了MHD发电机的性能。在端部效应和MHD射流效应的耦合下，发电通道流向横截面中心的气体总焓沿流向非均匀下降，在发电机入口电极处，其总焓略有增加并达到最大值；在发电机出口电极处，其总焓出现一极小值；横截面上气体总焓的平均值沿流向却均匀下降。不同电极对数的MHD发电机的数值结果表明，分段电极法拉第型MHD发电机的电极对数越多，MHD发电机内的霍尔效应越弱，焓提取率与发电效率越高。当6对电极的MHD发电机分别忽略和考虑霍尔效应时，其焓提取率相差了0.05%，发电效率相差了6.5%。     

速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究, 分析了速度梯度、近壁效应和Re数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明, 横向梯度能引起偏转角测量误差;纵向梯度能引起俯仰角测量误差;梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比, 气流方向测量误差对速度梯度更敏感, 纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小, 使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外, 正速度梯度引起大的静压正误差, 负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小, 但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Re数使静压测量值偏大, 几何形状不同的探针Re数的影响范围不同。      

基于可行图的五轴在机测量探针轴向优化方法

针对不同探针轴向下红宝石球上触碰点会引入不同预行程误差导致标定精度和效率低的问题，提出了一种用于优化在机测量探针轴向的可行图构建方法。首先，根据包围盒算法计算各个测量点处免干涉的探针轴向。接着，利用机床运动学链建立红宝石球上触碰点与机床旋转轴的关系，进而构建机床转台旋转角度的可行图。为了提升检测精度，以减少红宝石球上触碰点和机床旋转轴方向变化为原则，优化测量路径上探针轴向，满足无干涉且红宝石球触碰点最少的条件。最后，以离心式叶轮为例进行验证，采用此方法不仅能保证红宝石球上触碰点个数最少而大幅度缩短标定时间，还能减少引入的机床误差量而提升测量精度，实验结果证明该方法重复性好、可行度高。     

平面叶栅尾迹测量数据的处理方法

介绍了用于平面叶栅栅后测量的楔形探针的校准方法和应用，论述了平面叶栅栅后尾迹测量数据的处理方法，并通过试验结果说明，此法可行，精度足够。     

一种测量跨声速多级压气机转子出口二维流场的方法

为了获得小型压气机设计所急需的关键流场信息,发展了一种基于圆柱单孔高频压力探针测量小型轴流压气机级间动态流场的测量方法.该探针测量原理基于圆柱绕流特性,借助高速锁相采集技术,利用旋转探针多角度法实现级间动态流场测量.采用插值和拟合对测量的数据进行处理,从而获得级间二维定常流场.误差分析表明,该探针测量精度较高,偏转角误差小于1.8 °,马赫数、总压和静压的极限误差分别为3.4％,0.94％和3％.将该高频探针应用于某小型跨声速3级轴流压气机,测量结果表明:85％叶高至机匣范围内,总压和马赫数明显要比叶根低得多,气流出现明显过转.这些测量结果为优化该压气机级间匹配指明了方向,验证了该高频压力探针测试技术的工程应用价值.     

七孔探针测量剪切流场的误差分析和实验验证

有限直径的七孔探针在测量剪切流场时,会引入系统误差.本文通过数值模拟的方法,建立三维七孔探针模型,研究了平行流场的速度梯度、七孔探针直径、滚转角等因素对测量结果的影响,并进行误差分析.在实验中,本文选用典型的平行剪切流场——圆管射流——验证误差分析的结果.通过七孔探针测量剪切流场的实验,确定七孔探针对于剪切流场的空间分辨率.提出了七孔探针的“临界直径”的概念,并且绘制了误差随速度梯度和探针直径变化的曲面示意图,用以选择合适尺寸的七孔探针.     

纹影流动显示技术在超声速射流数值模拟验证中的应用

为了研究总压探针测量方法在欠膨胀超声速射流中的可行性，论文采用非结构网格有限体积法对含探针和不含探针的射流流场进行数值模拟，并通过对两个计算结果的比较，给出这种测量方法的参考性评价。为了证明数值方法及计算结果的可靠性，给出了口径6mm的喷嘴、粗1．3mm总压探针在压比4的流动条件下纹影流场显示和总压探针测量等实验结果。     

载荷分布对叶栅损失影响的试验研究

采用5孔探针、表面静压孔和墨迹显示技术,对2套具有不同载荷分布的后部加载涡轮叶栅内的三维流场进行了详细的测量分析。结果表明:优化载荷分布的叶栅和原叶栅相比,总流动损失明显降低。     

楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法

发展了1种楔顶圆柱双孔高频压力探针测量三维动态流场的方法,并应用于某跨声速多级轴流压气机转子出口流场测量.该探针测量方法基于4孔针测量原理,通过旋转探针在3个角度测量的方法实现,并采用最小二乘拟合方法对探针气动校准数据进行处理,对拟合误差进行优化,得到最佳拟合阶次,进而获得精度较高的求解流场参数的近似函数.相比国内外同类探针,该楔顶圆柱双孔高频压力探针尺寸小、频响快、测量范围宽、测量精度高.借助高速锁相数据采集技术,利用该探针测量了某跨声速多级压气机转子出口三维动态流场,测量结果反映了该转子流动特征,提供了转子出口气流偏转角、俯仰角、总压、马赫数分布,并为优化压气机级间匹配指明了方向,为压气机流场诊断提供了一套行之有效的测量手段,验证了该高频压力探针测量技术的工程应用价值.      

高负荷压气机首级可调静叶进口气流参数测试误差分析

为获取高负荷五级压气机试验环境下进口侧单级压气机和出口侧四级压气机各自性能,需在首级可调静叶上布置叶型探针进行级间气流参数测量。对叶型探针的气流状态进行了预估,并在叶型探针校准特性分析基础上定量分析了首级可调静叶进口气流总压和总温测试误差及两者分别对进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能测试精度的影响。研究表明:随着转速降低,叶型探针气流偏角逐渐超出其不敏感角范围,气流总压测试误差显著增大,严重影响进口侧单级压气机和出口侧四级压气机性能评定,但气流总温测试误差随转速变化较小;与出口侧四级压气机相比,进口侧单级压气机压比低、温升小,进出口气流总温和总压测试误差对其等熵效率的影响更加敏感。     

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。