风驱动下平板水膜表面波动特性实验研究

飞机表面在过冷水滴持续撞击下存在未冻结的液态水,液态水在气流驱动下向后发生回流。流动过程中水膜表面波动改变了液体的质量分布,进而影响结冰过程的传热特性。本文针对风速在16.5～45.5 m/s和水膜雷诺数在24.17～96.69范围内,采用了数字图像投影（Digital image projection,DIP）技术进行非侵入式测量,观测平板水膜流动中表面波在全视域内波形发展的过程。同时针对视域内的瞬时信号对波动特性进行分析,阐述了气-液界面波参数随风速和水膜雷诺数的变化,包括波峰高度、波峰频率、波速和波峰间距等。结果表明,表面波在水膜流动过程中呈现多种形态,风速增大会破坏原有的周期性波动加剧形态变化,流量增加会提高界面稳定性维持周期性波动。对水膜表面波动特性研究有助于揭示水膜流动过程中波形变化的物理机制,用于优化冰形预测和防冰系统设计。     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术,在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析,并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明,基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度,结合仿真分析,可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

基于剪敏液晶涂层的光学摩阻测量技术研究

剪切敏感液晶涂层具有对剪切应力敏感的光学特性,液晶涂层的显色不但与所受到的应力大小有关,而且与应力方向有关.在白色光垂直照射下,利用相机拍摄液晶涂层所反射的空间光谱图像,结合标定结果可以获得涂层受到的表面剪切应力矢量分布.基于这样的理论,开展了液晶涂层光学摩阻测量技术研究,包括:液晶材料喷涂工艺研究,搭建相应的测量系统,液晶涂层标定方法研究,表面摩阻测量实验研究等.低速喷流实验定量测量了喷流—平板干扰区表面剪切应力矢量分布.Ma=5的高超声速风洞实验获得了尖前缘平板表面摩阻分布定量测量结果,以此判断了平板边界层的转捩.     

显微PIV系统与实现

显微PIV系统可用于流体微观层次以及微流体流动的测量,可获得流体速度的场信息以及其中颗粒的场信息。本文主要介绍显微PIV系统所涉及的显微图像获取技术以及图像处理算法。该系统由硬件与相应软件系统组成。其中,硬件主要包括放大倍数为1000倍的光学显微镜以及最大拍摄速度为10000帧/秒的高速摄像系统;IMPACT软件为自行开发的基于C++系统的面向对象程序,其中内嵌多种数据处理与分析算法。通过对尺寸为1μm颗粒运动的测量,对不同数据处理算法进行了检验,结果表明:建立的显微PIV系统可有效获得微观流体流动的图像并可准确进行数据的处理,该系统完全可用于微观流体流动的测量。     

边界层转捩位置测量及其精度的实验研究

以无迎角平板作为模型,用多片表面热膜作为测量元件,在低速风洞中测定边界层转捩位置及其随来流速度变化的规律,并在等精度重复测量的基础上给出边界层转捩特征点位置测量的精度。实验研究的结果表明,本文提出的测定边界层转捩位置及其变化规律的实验技术,能够满足应用性定量实验的需要。     

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。     

风力机叶片的全局表面摩擦力测量的荧光油膜法

表面摩擦力是分析和预测风力机叶片气动特性的重要途径之一。为了实现风力机叶片全局表面摩擦力测量,获得流动在叶片上的拓扑结构,理解相关流动机理,引入了荧光油膜测量技术,给出了荧光油膜在表面摩擦力作用下的演化模型,并讨论了该演化模型的求解方法。为了验证该方法在风力机叶片上运用的可行性,设计了一个简化实验。实验中以平板代替具有三维弧面的叶片,并采用不同角度的倾斜射流冲击给定平板,以获得不同摩擦场。实验结果与E M Sparrow和B J Jovell给出的测试数据一致,这意味着基于荧光油膜的全局表面摩擦力测量方法具有测量风力机叶片上全局表面摩擦力的潜力。     

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力,航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术,与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团,稳定性较强,持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式,并设计制作了2套快响应时间动态标定设备,测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的 PSP 试验,利用高速相机采集图像数据后,经过批量数据处理,采集频率为250Hz,得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析,利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明,快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构,并能同时得到很好的定量压力数据。     

轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量技术研究进展

基于公开文献与课题组现有实验研究成果,总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状,并对未来发展方向进行展望。实验装置方面,现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅,针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少;测量工况方面,低速条件下的实验研究较多,针对跨声速、超声速叶尖泄漏流动的研究较少;测量方法方面,多数实验为稳态定量和定性测量,且着眼于出口流场,针对涡轮转子叶尖间隙内部流动结构的非接触、瞬态测量研究较少;结果分析方面,多数实验着眼于分析泄漏流动对涡轮性能的影响,对泄漏涡非定常流动机理、泄漏涡与二次涡系的相互作用以及涡破碎的揭示尚不完全。基于涡轮转子实验台,结合端壁动态压力测量阵列,采用内窥式PIV、LDV技术对涡轮转子叶尖间隙内部及附近非定常泄漏流动的测量是一个亟待深入研究的重要方向。     

电磁流体动力驱动流体搅拌混合器特性研究

对小型电磁流体动力搅拌混合器的特性进行了理论分析和实验研究.该小型电磁动力混合器由聚碳酸脂和黄铜采用常规机械加工方法加工而成.研究采用的流体为氯化钠水溶液.为了观察流体的搅拌混合运动,在流体中加入微量微细玻璃珠作为示踪粒子.采用显微观测及图像采集技术记录流体的搅拌混合过程,用数字图像处理技术对流体速度场进行分析.建立了搅拌混合器的理论模型,并对其动力特性进行了数值分析,理论结果与实验结果相吻合.该小型电磁动力混合器已应用于微管道流动的混合控制并可应用于其它微流体控制系统中.     

表面摩擦应力油膜干涉测量技术在 Mα=8的应用

在Φ0.5m高超声速风洞中开展了表面摩擦应力油膜干涉测量技术在Ma=8的应用研究。在记录干涉图像的同时,使用红外热像仪记录模型表面温度,通过标记点进行坐标转换,获得测量点处油膜的温度,对比地面校准中获得的硅油黏性-温度曲线,确定油膜的实际黏性系数,从而提高摩擦应力测量精度。开展了平板模型摩擦应力测量试验,不同黏性硅油测得结果的标准偏差与平均值的百分比不超过10%,试验结果与平板层流边界层理论估计值吻合。     

矢量喷管静推力精确测量试验技术研究

详细论述了矢量喷管静推力精确测量试验技术的原理、所需设备以及试验方法,该技术主要模拟喷管模型喷流落压比以及出口马赫数相似参数,将模型安装在推力测量平台的真空试验舱中,同时利用外式天平进行矢量喷管气动力的精确测量。试验数据经过流量修正、安装姿态修正、基于橡胶膜片的空气桥系统对于天平的压力影响以及流量影响修正之后,即可以得到较为精确的矢量喷管静推力值、推力系数以及矢量角等参数。试验结果表明:在推力测量平台进行矢量喷管静推力测量试验,轴向、法向推力系数以及矢量角随落压比的变化规律正确,试验精度满足国军标要求,达到型号应用水平。     

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。     

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。     

燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展

介绍了上海理工大学颗粒与两相流测量研究所近年来在燃烧和流场在线测量诊断技术方面的研究进展,包括:改进基于光纤光谱仪的火焰辐射温度测量技术,提高火焰温度的测量精度与范围并反演出火焰辐射率及液体燃料组分;辐射与吸收光谱相结合测量脉冲燃烧火焰温度和水蒸气浓度;基于激光诱导荧光法测量喷雾液滴温度;强烟尘水滴干扰条件下基于差分吸收光谱法(DOAS)测量排放污染气体(SO2和 NOx )浓度;基于饱和蒸汽原理的光谱法研制汞连续排放监测标准系统;光谱法与图像法结合测量高温物体温度场;基于单帧单曝光图像法测量多相流速度场与粒度分布;基于可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)同步测量液态纯水水膜蒸发过程中液态参数(水膜厚度及温度)与气态参数(水膜上方水蒸气的温度)等。     

平面流动皂膜的表面张力系数及厚度测量

在流体力学实验中，平面流动皂膜得到大量应用（如用于模拟两维湍流流动或超声速流动），对皂膜的测量手段也得到了极大发展，但对流动皂膜特性参数的测量尚有可提高之处。本文给出了两根平行弹性线之间在重力驱动下稳定流动的皂膜的表面张力系数及厚度的非接触测量实例。对于表面张力系数测量，针对新近文献中提出的一种基于皂膜边缘的力平衡测量表面张力系数的半经验方法给出了严格推导，并采用两种方法验证了推导结论，证实了该半经验方法的正确性，同时还得出了一种新的、更简便的表面张力系数测量方法；对于皂膜厚度测量，结合传统的皂膜流动速度测量方法（如粒子图像测速法），提出了一种基于单色激光干涉的测量方法，可以通过普通单色相机摄像来获取稳定流动皂膜的厚度剖面。     

基于人工神经网络的道路表面降雨水深预测

建立了基于人工神经网络的道路表面水膜厚度预测模型，通过试验数据的训练确定权重和阈值，经过检验样本的检验，能够很好地预测道路表面的水膜厚度。结果表明，本文建立的人工神经网络模型用于道路表面水膜厚度预估可行。     

多点压力扫描阀测量系统在激波／湍流边界层干扰实验中的应用

多点压力测量是航空气动力研究及高性能流体机械研究中的重要测试手段。利用计算机和多点压力扫描阀系统，可以高效地完成这项任务，并可能在实验中实现数据采集及整个实验过程的自动化。我们利用ＨＰ１０００／Ａ７００计算机－ＨＰ２２５０－测控装置－压力传感器－高速扫描阀组成的测量控制系统，在超音速风洞内对激波／湍流边界层干扰产生的流场进行了快速多点压力数据采集，并取得了可靠的结果。本文对测试和校正过程中的程序设计、测试方法和应用经验进行了介绍。     

稳态焓探针的优化设计与试验验证

针对高超声速飞行器地面防热试验高精度总焓测量需求,研制了一种带热防护罩的稳态焓探针。基于能量平衡原理设计了稳态焓探针测量系统,采用有限元方法分析了焓探针采样管长度、壁厚以及冷却水流向、流量对焓值测量误差的影响,优化设计了焓探针的隔热结构和水气流量。在电弧加热器流场中开展了验证试验,结果表明:该稳态焓探针参数设计合理且隔热结构性能良好,重复性精度优于2.6%,与驻点热流Fay-Riddell法比较,最大偏差为13.0%。     

基于可压缩流体的热线探针校准风洞研制

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,也和流体温度、密度紧密相关。因此,需要建立与高速可压缩流体特征相似的校准装置,在使用前对热线探针进行准确校准。基于亚跨声速可压缩流体,对热线探针校准风洞的气动总体方案、关键结构设计、测控处系统研制等做了介绍和说明。风洞流场校测结果表明,模型区Ma最大偏差0.002,风洞速压可以降低至常规速压的50%以下,也可增至常规速压的1.7倍以上,温度和密度调节范围宽,流场均匀性好,满足热线探针校准需求。