超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma-3．8超声速风洞中,采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布。PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求。本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理。实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布。     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中，喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用，激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对对缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量，获取了射流轴线上的速度分布，从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间嘘民前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致，但是比该经验公式值低5％以上，表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律。运用相位多普勒粒子测速（PDPA）技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析。研究表明：环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽。     

激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非侵入性、灵敏度高和时间响应快等优点,将激光吸收光谱技术与最小二乘法、计算机断层扫描重建技术(CT)相结合,可以实现对非均匀燃烧流场的分布测量。首先简要介绍了激光吸收光谱技术的发展历程及测量基本原理,然后分别对激光吸收光谱技术测量非均匀流场一维分布、二维分布的国内外研究现状及关键技术进行了综述,比较分析了二维非均匀流场诊断实验中旋转和固定两种安装模式的优缺点及相对应的光线布局,总结了用于流场二维重建的相关重建算法,最后讨论了激光吸收光谱技术测量非均匀流场研究工作的发展趋势和有待解决的相关问题。     

平面激光诱导荧光显示火焰中OH的分布图像

用平面激光诱导荧光技术测量了平面火焰炉、原子气化和超声速燃烧室的单脉冲激光诱导ＯＨ荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的厚度。由超声速燃烧室的ＯＨ荧光测量,可以看出不同时间ＯＨ分布的差别。氢氧基的ＰＬＩＦ图像是研究火焰结构和流场的有力工具。     

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术。经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像。对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像。针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建。研究结果表明：由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征。     

淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术（LIF）和二维高速粒子图像测速技术（TR-PIV）对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法（POD）对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re ＝5600,淹没深度 H/D ＝4。LIF 实验结果表明：自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明：射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。     

双旋流燃烧室冷态流场2维湍流特性试验

为研究燃烧室流场湍流结构特性,采用粒子图像测速仪（PIV）对双级旋流器燃烧室流场进行测量,得到了不同进气速度 下的速度场分布、雷诺应力分布和湍流度分布。结果表明：随着进气速度的提高,旋流器出口射流速度提高,中心回流区轴向速度 变化较小;在2维平面上,燃烧室轴向测量截面出现5个高雷诺应力区域,分别为中心回流区外、中心回流区与高速旋转射流交汇 区（剪切层）2处以及高速旋转射流与燃烧室头部模拟壁面接触区2处;回流区与高速旋转射流交汇区较高的雷诺应力分布有利于 燃料与空气充分混合;湍流度分布与速度波动幅值和平均流速有关,中心回流区与高速旋转射流交汇区处湍流度较高。     

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（3D LDV）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。     

分层比对分层旋流火焰稳定模式及流动结构的影响

应用高速激光诊断系统,对中心分层旋流火焰开展了流场与火焰结构的多参数同步测量,研究了分层比对火焰动力学及瞬态流动结构的影响。通过20kHz高频平面激光诱导荧光和高频粒子示踪测速技术,研究了不同分层比下的火焰模式和稳定机理,并揭示了流场结构沿轴向的定量演化规律。研究结果表明,提高分层比可以改变分层旋流火焰中火焰面相互作用模式,使主火焰的稳定机理由接触点火变为融合点火机理。同时分层比也会改变火焰释热区的位置,使流场结构以及脱落旋涡的空间分布发生改变。应用旋涡识别方法定量提取了脱落旋涡的位置,获得了内剪切层中脱落旋涡的空间分布和轴向演化规律。     

白光氧气泡图像测速技术

本文介绍一种白光氧气泡图像测速新技术。用电解水产生的氧气泡做为流场示踪粒子,用两个闪光时间间隔由数字电路控制的普通闪光灯做为粒子图像底片记录的多脉冲光源,取代了以往PIV测速技术中通常所用的固体示踪粒子及大功率激光光源。该技术的显著优点是实验成本低,无污染,而且光源功率需求低,并且可以获得高信噪比的粒子图像记录底片。通过实际应用说明该实验技术是水洞力学中速度场测量的一种有效方法。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

应用粒子激光散射测量混合反应器分散相浓度场分布

研究了圆管反应器中四束侧向对撞射流与轴向流形成的混合流动。应用激光粒子散射成像测量了侧向分散相在混合流中的浓度场分布，得到了不同的浓度分布图形随侧向流与轴向流速比关系，揭示了内在规律有独特的浓度分布结构。     

基于波长调制光谱的非均匀流场气体参数二维分布测量

基于波长调制光谱方法,研究了一种实现非均匀燃烧场气体参数二维分布测量的新方法。气体参数的二维分布是通过测量激光穿过非均匀流场区域的积分吸光度并结合重建算法进行反演实现。研究了基于波长调制光谱,通过拟合谐波信号实现积分吸光度测量的方法。利用所选的7185.60cm~(-1)和7454.45cm~(-1)两条H_2O谱线,通过建立离散模型和设计光线布局,基于波长调制光谱方法和代数迭代重建算法实现了非均匀流场区域内温度场和H_2O组分浓度场的二维分布测量。重建结果表明:基于波长调制光谱的二维重建方法具有较高的重建精度,与预测值相比,温度和H_2O组分浓度的重建误差分别小于1.69%和3.05%。     

(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

超声速射流离散频率噪声的屏蔽抑制及对流动的影响

根据对超声速射流离散频率噪声产生的反馈机理的认识,提出了一种能够有效地破坏反馈环的形成,从而抑制射流离散频率噪声的喷嘴屏蔽方法.这种方法是通过阻隔反馈声波使其不能到达喷嘴唇口、同时屏蔽物不与射流接触来实现降噪的目的.实验结果表明,对于合适的屏蔽罩参数,正常降噪效果可达5分贝以上.应用激光多普勒测速技术测量了超声速自由射流在采取屏蔽降噪措施前后轴线速度的分布,发现屏蔽后射流势核长度增加近50%,表明这种降噪方法有助于射流推力的提高,但不利于射流的掺混.     

涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV测量

研究涡轮级封严内流动和主流的相互作用、相互影响,进一步认识盘腔内燃气入侵等非定常现象,急需流场实验数据验证。针对轮缘封严内空间狭窄、光路安排困难等问题,本文发展了一种用于测量涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV技术,即测量分两步,首先在机匣上安置二维测速系统用符合方式测出径向、切向速度及湍流度,再在轮毂内安置一维探头重复测量,从两次测量数据中计算出轴向速度;该技术借助锁相采样等技术能测出不同动静叶相对位置情况下封严及盘腔内的周期性非定常流场细节,本文给出了部分典型的动态流场测量结果。      

大速差射流燃烧室内三维湍流气固两相流的实验研究

本文用二维激光多普勒测速仪和探针取样法对大速差射流燃烧室中冷态三维湍流气固两相流动进行了实验研究,测量了气相速度,颗粒速度、颗粒质量流分布及两相各自的湍流特性,探讨了高速射流作用下两相流场的主要物理特征及其对火焰的稳定和强化燃烧的作用。     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。