激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中,迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备,是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验,需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化,发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型,在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量,获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像,不同测量技术获取的试验结果可相互印证,线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

高超声速表面摩擦应力油膜干涉测量技术研究

针对高超声速摩阻测量的需求,将基于表面图像的摩擦应力油膜干涉测量技术（SISF）应用于Φ0.5m常规高超声速风洞。通过平板模型的风洞实验,进行了硬件设备平台研制、模型表面材料、油膜物性参数的影响特性以及干涉图像数据处理方法研究。结果表明,建立的SISF硬件设备和技术能够获得清晰的干涉条纹,平板模型表面摩擦应力测量结果与数值模拟结果一致,研制的SISF系统可以可靠地应用于高超声风洞模型表面摩擦应力测量。     

叶栅风洞出口处孤立叶片吸力面全域压力分布测量

应用自主建立的压力敏感涂料测量系统对固定在跨声速叶栅风洞出口下档板处的大弯度孤立叶片吸力面进行了表面全域压力分布测量尝试,基于涂料实验校准的特性曲线和图像后处理技术,获得了叶片表面压力分布状况。     

跨声速风洞中的超临界翼型速度场测量

针对跨声速风洞实验环境,发展适用于高速流动测量的粒子图像测速(PIV)实验技术,从而实现对超临界翼型的非定常流动进行准确的速度场测量。对跨声速风洞中的PIV测量系统进行了如下改进工作:改进粒子播撒装置;对片光光路布局进行了优化;对模型表面进行了防漫反射处理;提高图像位移场计算精度。使用RAE 2822超临界翼型,在FL-1风洞进行实验,来流马赫数为0.6~0.92,雷诺数为1.86×10~6~2.58×10~6。结果表明,利用PIV测得的速度场能够有效捕捉激波位置,并且与表面平均压力分布一致,通过对PIV数据进行统计分析可得到激波振荡的类型及幅度等特征。     

跨声速流自发凝结水滴的测量

应用基于多波长消光法原理发展的光学探针，测量了跨声速风洞中不同马赫数湿空气流自发凝结形成的水滴尺雨及浓度，并给出了实验结果。     

2.4 m连续式跨声速风洞气动设计与研究

连续式跨声速风洞由轴流压缩机驱动运行,具有运行范围宽、流场品质高、运行时间长等优点,是国际上最主要的跨声速风洞类别。近年来我国飞行器型号研制对大型连续式跨声速风洞的试验需求快速增长,为了弥补我国大型连续式跨声速风洞设备短板,中国航空工业空气动力研究院建设了2.4 m连续式跨声速风洞,该风洞是我国第一座大型连续式跨声速风洞。为了获得最佳的风洞流场品质和气动性能,航空工业气动院研发了多项适用于连续式跨声速风洞的气动外形设计技术,包括风洞的喷管、试验段、二喉道等高速部段的气动设计技术和低速部段气动设计技术。本文详细介绍了连续式跨声速风洞的总体设计要求和主要部段的气动设计方法,并通过CFD计算和风洞试验开展研究与验证。通过应用先进风洞气动设计技术指导风洞建设及调试,2.4 m连续式跨声速风洞的流场均匀性、噪声和湍流度已达到国际先进水平,试验数据品质与国际先进风洞一致。     

高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0．7％以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma＝5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

T型尾翼颤振模型光学测量实验与弯扭特性解算

在FL-26跨声速风洞半模试验段进行了某高速飞机T型尾翼颤振模型的光学测量实验,并依据测量结果解算了尾翼颤振模型的弯扭特性。颤振模型表面用白色圆点进行标记,用于记录模型表面的位移变化,两台固定在风洞试验段上壁板观察孔旁肋板上的400万像素工业相机用来采集图像,采集到的图像通过自主开发的图像解算软件进行图像的识别与求解,计算出尾翼颤振模型表面标记点的三维坐标。模型表面标记点的三维坐标通过坐标变化转换到风洞气流坐标系中,利用不同时刻模型表面坐标的变化计算模型剖面扭角和弹性轴位移的分布。T型尾翼右平尾图像采集实验与弯扭特性计算结果表明,非接触光学测量技术可以用于高速颤振试验的定量分析中。     

超跨声速喷流流场的PIV测量

对示踪粒子发生装置和几种粒子的特性进行了实验研究，发现压缩空气流中自然存在的润滑粒子在跟随性、分布的均匀性和稳定性、以及浓度方面对于ＰＩＶ测量都非常有利。实验成功地应用ＰＩＶ技术对超跨声速喷流流场进行了测量，初步分析了测量结果与理论的差异，并分析了实验的可靠性和精度。     

高超声速风洞变雷诺数试验技术研究

为满足高超声速飞行器气动力雷诺数效应研究需求,在CARDC的Φ1米高超声速风洞中开展了变雷诺数试验技术研究.该项试验技术是利用Φ1米高超声速风洞采用高压下吹-真空抽吸驱动运行方式、风洞运行参数范围宽的特点,通过宽范围内调节风洞运行总压而大幅改变模拟雷诺数.研究采用了单点变雷诺数试验技术和连续变雷诺数试验技术两种手段来开展高超声速飞行器气动力雷诺数效应模拟.单点变雷诺数试验是通过一系列不同雷诺数条件、不同试验车次的试验结果,获得气动特性随雷诺数的变化规律;连续变雷诺数试验时,控制风洞总压从高到低连续变化,测量获取模型处于某一姿态角条件时气动力随雷诺数的变化规律.本文介绍了变雷诺数试验的风洞开车方式、试验及数据处理方法等,并开展了某升力体飞行器和某弹头模型雷诺数效应试验研究.研究结果表明:采用单点和连续变雷诺数试验技术相结合的方式,能较为完整、准确地获得飞行器模型气动力随雷诺数的变化规律.     

光学压力敏感涂料测量技术及其 在内流场的应用

介绍了应用基于发光强度的全域压力测量方法进行叶片表面压力分布的一系列实验结果.在自主建立光学压力测量系统和自主研发国产压力敏感涂料的基础上,对高亚声速叶栅风洞出口处大弯度孤立叶片吸力面和对转压气机实验平台出口整流叶片吸力面的压力分布进行了测量,并采用传统电子静压扫描装置在高亚声速叶栅风洞中进行了同步测量.光学压力测量与电子压力扫描结果的对比表明所建立的光学压力测量系统可用于内流场测量,其精度达到了工程应用水平.      

跨音风扇转子尖部非定常流场的PIV初步测量

数字式PIV技术可以在瞬间记录下整个测量截面内的流动信息,从而为解决跨音压气机转子内非定常流动测量难题奠定了良好的基础,代表着叶轮机械内部复杂流动测试技术的发展方向。本文将数字式二维PIV系统成功应用于跨音压气机实验台,对一小展弦比高负荷跨音风扇转子尖部的非定常瞬态流场进行了成功测量。      

Pω增强型k-ω湍流模型在三角翼旋涡流动的应用

在三角翼旋涡绕流数值模拟中,标准 Wilcox k-ω湍流模型生成项未考虑旋度的影响而导致预测的旋涡强度较弱。通过引入探测因子区分剪切层和涡核,在旋涡流动的高旋度区域增加ω方程生成项的方法,基于结构化网格上的 RANS 求解器,加入了 Pω增强型 k-ω湍流模型,对绕尖前缘三角翼亚声速和跨声速旋涡流场进行了数值模拟。计算结果与 NASA 的 NTF 风洞和 DLR 的 DNW-TWG 风洞试验数据进行了对比分析,结果表明：不论在亚声速还是跨声速自由来流条件下,Pω增强型 k-ω湍流模型计算的压力分布、涡破裂位置均与试验数据吻合良好,准确地预测出了三角翼上翼面的主涡、二次涡结构,特别是跨声速条件下激波干扰导致的涡破裂的临界迎角及涡破裂位置,表明 Pω增强型 k-ω湍流模型在绕三角翼旋涡流动数值模拟中具有良好的适用性。     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

涡切片图象立体重建

 <正> 1.引言 激光片光技术和流体中微粒的光散射效率逐步提高;从烟雾、水汽到激发诱导荧光使流动可视化程度不断开拓。许多研究工作需要通过观察切片照片获得对复杂流动整体结构的理解。因此,将系列二维切片照片重建成立体图象是十分有意义的。 近年来这方面比较典型的工作有Jimener的平面混合层和Agui and Hesselink的共轴喷流重建,分别在平面型和封闭柱面型的不同气流混合界面研究涡系的生成和发展。用涡迹切片重建的三维图象能清楚地显示涡的内部结构,对提供合理的流动假说和计算模型有重要意义。     

箱梁颤振过程中旋涡的演化规律及气动力的变化特性

利用粒子图像测速技术（PIV）观测了箱梁颤振过程中模型周围流场的旋涡特征,以模型扭转振动位移作为参考信号,采用相位平均的方法研究了旋涡规律性演化对模型周期性振动的驱动作用。风速较低时,箱梁振幅很小,其尾部风嘴附近上侧的旋涡尺度也很小,不易观测到,而下侧的旋涡尺度较大,其形状接近于圆形。当风速接近颤振临界风速时,箱梁振幅明显增大,并且模型尾部风嘴上侧的旋涡尺度也显著增大,达到与下侧旋涡尺度相匹配的程度,模型尾部风嘴上下侧旋涡的交替作用主导了结构振动直到模型振动发散。基于流固松耦合的计算策略,采用计算流体动力学（CFD）的数值方法模拟了箱梁颤振临界状态下的绕流特性,结合正交特征分解（POD）的方法研究了模型颤振时刻表面压力的空间分布特征,通过分析发现在颤振过程中箱梁表面波动压力的主控成分向迎风侧风嘴漂移。     

高速复杂流动结构的视频测量

为了定量显示空腔高速复杂流动结构,采用均布的小圆点作为背景纹影(BOS)的背景点,利用视频测量(VM)成熟的小圆点图像定位与匹配技术,克服了现有图像互相关技术对BOS的限制;推导非平行光穿过流场的偏折位移/角计算公式,基于VM的共线方程,准确计算从背景点到相机摄影中心的光束穿过流场产生的偏折位移场和光程差场(OPD)。FL-21风洞的某空腔高速(马赫数为0.6~2.0)复杂流动结构的视频测量结果表明:本方法可清楚分辨出亚微米量级的光程差差异与微弧度量级的偏折角差异,定量显示空腔高速流动产生的波/涡/剪切层的位置、强弱及其相互关系,为复杂流动结构与气动光学效应的测量与显示提供新的途径,其光路简单、无需价格昂贵的相干光源,具有应用前景。     

绕跨声速三角翼的激波/涡干扰流场数值模拟

 在绕三角翼的跨声速流动中,随着迎角的增加,三角翼上的涡破裂位置会出现突然前移的现象。针对这一与亚声速下不同的流动现象,采用带曲率修正的Spalart-Allmaras(SAR)湍流模型,求解定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,对不同迎角下绕65°后掠尖前缘三角翼的跨声速流动进行数值模拟,并在此基础上,采用基于SAR湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对由激波干扰导致的前缘涡破裂位置的运动规律进行了初步探讨。模拟结果与试验结果对比表明:SAR湍流模型能准确地模拟出三角翼上的激波系统和旋涡结构,并能准确模拟出由于激波干扰导致的涡破裂位置突然前移的现象。此外,对涡破裂后流场的非定常数值研究发现,支架前端正激波的干扰作用使得涡破裂位置向下游移动比较突然,而向上游移动则相对缓慢。