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.     

超声速弹头凹型光学头罩流动显示研究

在自行设计的Mα=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.     

超声速进气道激波串及脉动压力分布特征

超声速进气道正常工作时,超声速来流经过斜激波与正激波的减速增压作用转变成亚音速气流,在这个过程里,通常伴随着边界层分离以及激波等复杂的流动现象。当达到一定的条件时,在进气道内会形成激波串结构,并形成一定强度的脉动压力载荷。本文基于雷诺平均N-S方程法(RANS),模拟了某超声速进气道非定常复杂流动,通过数值模拟捕捉到了该超声速进气道内收缩段流场的激波串结构,获得了进气道下壁面脉动压力载荷沿此进气道纵向的分布规律,为超声速进气道的载荷与环境分析提供了技术支撑。     

湍流涡黏性模型方程中相位差的测量

基于理论上湍流相干结构复涡黏性模型对涡黏性系数的分析,应用热线测速技术测量了平板湍流边界层多尺度相干结构动力学方程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差.分析了湍流边界层相干结构猝发过程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,为建立更加符合实际的湍流模型提供了实验依据.     

基于单相机光场PIV的逆压湍流边界层测量

作为一种新兴的体三维粒子图像测速技术,光场单相机三维粒子图像测速技术（Single-Camera Light-Field Particle Image Velocimetry,LF-PIV）能够仅用单个相机获得三维速度场,其结果已在许多复杂三维流动测量中得到验证。LF-PIV的优势主要在于其紧凑简便的硬件设备以及对光学窗口较宽松的要求。应用LF-PIV技术对一个自相似的逆压湍流边界层（Adverse Pressure Gradient Turbulent Boundary Layer,APG-TBL）进行测量,该实验在澳大利亚莫纳什大学（Monash University）航空航天与燃烧湍流研究实验室（Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion,LTRAC）水洞中完成。实验对远、近壁面测量所得到的各600组瞬态三维流场数据进行分析验证,并与相同工况下的2D-PIV实验结果对比,证明基于DRT-MART重构技术的LF-PIV能够进行基本的湍流边界层测量。     

高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息.本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题.从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索.并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段.     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

干涉瑞利散射测速技术在跨超声速风洞的湍流度测试应用研究

为了测量高速流场的湍流度,研究了基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉仪的干涉瑞利散射测速技术。设计了干涉瑞利散射速度测量装置,主要由大功率窄线宽连续激光器、法布里-珀罗干涉仪和高帧频EMCCD相机组成,激光器提供连续光源照射流场形成气体分子瑞利散射,并通过法布里-珀罗干涉仪和EMCCD,实现了对流场气体分子瑞利散射光谱精细分辨,获得了高时间分辨速度测量结果。经过理论分析,该装置的速度分辨率为1.23m/s;通过与热线风速仪湍流度测量实验的结果进行对比,验证了干涉瑞利散射测速技术具备流场湍流度非接触测量能力;利用干涉瑞利散射测速装置,在0.3m×0.3m跨超声速风洞上,开展了Ma3.0条件下流场湍流度测量实验,获得了超声速流场的平均速度和湍流度测量结果,装置时间采样率达到4kHz。     

压力不匹配混合层流场结构的实验研究

为了研究压力不匹配超声速湍流混合层流场结构,采用时间平均纹影、脉冲激光纹影和高时空分辨率NPLS方法获取了相应的流动显示图像.根据不同时间和空间分辨率的实验图像所展示的流场结构,研究了激波与膨胀波对混合层整体结构的影响,分析了压力不匹配对混合层精细结构的影响.     

超声速混合层中PIV粒子的湍流变动作用研究

对二维超声速气固两相混合层进行双向耦合,研究了粒子图像测速技术（PIV）中示踪粒子对超声速混合层的湍流变动作用。超声速气固两相混合层的气相采用大涡模拟,离散相采用拉格朗日颗粒轨道模型求解。结果表明:与无负载示踪粒子时的超声速混合层相比,小Stokes数示踪粒子在超声速混合层中的布撒减弱了流向湍流,而强化了法向湍流,使雷诺应力峰值增大了9.68%;大Stokes数示踪粒子对混合层的湍流脉动起到了一定的削弱作用,最大雷诺应力值只有无负载时的41.74%。大质量载荷时,大量示踪粒子的运动尾迹抹平了部分法向速度脉动,使最大法向速度脉动只有无负载粒子时的38.63%;中等质量载荷时,超声速混合层的法向速度脉动和雷诺应力峰值与无负载粒子时相近;而小质量载荷时,超声速混合层中心线及其附近的法向速度脉动得到较小的增强,而最大流向速度脉动却被削弱了19.29%。小Stokes数和中等质量载荷示踪粒子对原始无负载粒子时的流场影响相对较小,研究结论对高速流动PIV测试有着重要的参考价值。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心超高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1.94km/s(犕犪=5.65),单位雷诺数4.32×107~1.20×108 m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0.6~2.2mm 之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0.3~0.8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明:弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

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.     

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号.利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律.各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献.涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质.     

二维通道内湍流边界层分离的实验研究

用激光多普勒技术测量了二维扩压器中不可压湍流边界层分离流动，得到了时均速度和雷诺剪应力分布。实验结果分析表明：以Ｃｏｌｅｓ速度律发展的Ｂａｒｄｉｎａ速度分布可以描述瞬时间歇分离点以前和瞬时间歇再附点以后的时均速度分布，但无法描述分离区的边界层速度型。Ｃｒｏｓｓ速度分布可描述分离区的边界层速度分布。Ｃｅｂｅｃｉ＆Ｓｍｉｔｈ涡粘性代数模型难以正确地描述分离边界层的雷诺剪应力。     

不对称喷管欠膨胀超声速射流的数值模拟

采用改进的MUSCL格式解三维可压缩平均雷诺纳维尔 斯托克斯方程组,湍流模型为Spalart Allmaras代数模型,数值模拟了四种调整片不对称喷管在喷口压比为2.0、2.8、3.4和4.0条件下的欠膨胀超声速射流场,获得了射流场流谱和参数分布,并给出了单调整片不对称喷管出口压强比与射流偏转角和扩张角的分布曲线,计算结果和实验数据符合良好。     

背景纹影测量技术研究与应用进展

背景纹影法是2000年左右新出现的非接触式光学测量技术,可用于变密度流动的可视化和相关折射率场的定量测量。与经典的刀片式（Knife-edge）、彩虹式（Rainbow）纹影测量技术比较,BOS具有硬件搭建简单、标定方便、测量视窗不受光学元器件尺寸限制等显著优点。通过详细介绍BOS方法的基本原理与核心性能指标,并依据搭建BOS流动测量系统的思路,回顾了近年来国内外BOS技术的发展情况,最后介绍了BOS技术在超声速流动、燃烧、等离子体等复杂流动领域的应用。     

极低湍流度下翼型边界层及近场尾流的雷诺应力测量试验研究

在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪在对称翼型边界层及近场尾流中，于２０多处剖面上移测速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等湍流参量。着重讨论了各雷诺应力分量的分布。结果表明，在边界屋和尾流宽度方向及流动方向上均有明显的规律性，其有关特征值明显低于常规风洞湍流度下的结果。     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

基于卷积神经网络的近壁流动高分辨率平均速度场预测方法

本文设计并验证了基于卷积神经网络的边界层近壁流动高分辨率平均速度场预测方法:首先采用示踪粒子图像对数据集训练卷积神经网络，通过调整神经网络参数可以预测示踪粒子在数据集上的平均跨帧位移；然后使用该卷积神经网络预测像素空间中各像素位置的单粒子位移，得到高分辨率的平均速度场信息。将该方法用于预测湍流脉动较小的边界层近壁区的平均流动，能够将空间分辨率提高到单像素精度。误差分析发现，该方法获得的测速精度略优于传统单像素系综平均互相关算法，且对粒子浓度和示踪粒子图像对数目的要求明显低于后者。     

分子标记速度测量技术及应用研究进展

分子标记示踪技术是用于流场显示和速度测量的一类激光诊断技术。通过分析目前常用的分子标记方法、分子标记显示方法以及数据处理方法及其研究进展,对分子标记示踪测量技术进行了较为全面的介绍;列举了OH 和NO 分子标记示踪技术在超声速流动、边界层流动及发动机尾流的测量应用实例,并对实际应用中反应流场背景干扰、测量环境的强振动和内流场测量中光学窗口的影响进行了讨论和分析。