绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明：在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时（σ=1.05～1.20）,仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象。实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态,并测量了水翼所受的升阻力。利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征。结果表明：在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点。在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化。     

高速燃油离心泵空化特性分析

为揭示高速燃油离心泵内部空化形态及隔舌区域空化的发生工况,对其进行了非定常数值计算,分析了不同流量下高速燃油泵内空化流场特性及压力瞬态特性。结果表明：在不同流量下,空泡首先在叶片前缘生成;随着空化数降低,空泡在叶片根部及延伸叶片背面产生;在1.2倍设计流量下隔舌区域的空化在低空化数下发生;空化对叶片表面根部的压力载荷影响较大;叶轮流道监测点压力脉动主频为叶轮轴频;隔舌监测点脉动主频为叶频,在1.2倍设计流量下的低空化数下隔舌区域监测点压力脉动频谱上轴频倍频特征增强。     

激光空化气泡溃灭对SAP弹性小球的作用

空化气泡溃灭时对附近弹性小球的作用研究具有重要的学术价值和实际意义。采用实验方法研究了超吸水聚合物(SAP)弹性小球附近激光空化气泡的膨胀和溃灭过程,利用扩束-聚焦后的激光在去离子水中产生单个空化气泡,通过精密位移平台精确控制空化气泡发生位置,采用高速相机获取气泡膨胀和溃灭以及弹性小球的动态变形过程,进而基于弹性小球的变形,采用数值方法获得作用在弹性小球上的挤压作用力。研究发现,弹性小球附近空化气泡存在多次膨胀和溃灭现象,其中一次膨胀和溃灭持续时间最长,对弹性小球的挤压和拉扯作用最明显。在气泡膨胀阶段,弹性小球受到膨胀气泡的面挤压所用;在气泡溃灭阶段,弹性小球受到溃灭气泡的点拉扯作用。相关研究结果对于探究超声靶向微泡破坏技术中细胞膜的通透性增加机理等现象有较好的参考作用。     

水下强声波脉冲引发的空化气泡运动和声辐射

通过建立由等离子体声源、PCB压力传感器和高速相机等构成的实验测量系统,研究了强声波脉冲引发的空化气泡运动和二次声辐射。通过实验,观察到了强声波脉冲特有的波形结构,空化气泡的成长、膨胀和坍缩过程以及气泡坍缩时辐射的声信号。其次,利用Gilmore方程和Bernoulli方程,从理论上对空化气泡的运动和声辐射进行了数值模拟和分析。研究结果表明：（1）在强声波脉冲正压区的作用下,空化气泡将受到压缩并围绕＂准平衡态半径＂振荡;在强声波脉冲负压区的作用下,空化气泡将出现膨胀、坍缩和回弹的物理过程。（2）空化气泡坍缩时周期性辐射的声脉冲持续时间极短,具有＂冲击波＂的特点。     

高速自然超空泡射弹阻力特性试验研究

为了研究水下高速自然超空泡射弹的阻力特性,针对带有圆盘空化器的多锥体射弹模型,设计了多种结构参数的射弹模型,进行了高速射弹从空气射入水中形成超空泡的试验。通过对试验数据的分析和处理,得到了不同空化数、不同空化器直径以及不同射弹长细比对射弹阻力系数的影响。试验结果表明：在空化器直径和射弹长细比不变的情况下,随着空化数的增加,射弹阻力系数变化很小;在空化数和射弹长细比不变的情况下,随着空化器直径的增加,射弹阻力系数增大;在空化数和空化器直径不变的情况下,随着射弹长细比的增加,射弹阻力系数减小。试验结果为进一步研究高速超空泡射弹的水动力特性和水下弹道特性提供了参考。     

高速拖曳水槽水动力特性及尾空化实验研究

介绍了作者发明的一种新型的窄通道高速拖曳水槽,对不同头型的方形及圆形截面的模型进行了高速拖曳实验,实验模型的最大速度可达约18m/s。通过高速摄影仪进行实时记录,对模型的运动特性以及空化尾迹特性进行了研究。实验结果显示,圆形截面模型的速度曲线更加稳定;对于方形截面的模型,头型为90°角的模型加速性能最好。     

绕弹性水翼空化流激振动特性实验研究

弹性结构在空化载荷作用下易发生振动,从而威胁结构安全,研究绕弹性水翼的空化流激振动特性显得尤为重要。采用高速摄像、测力装置和激光多普勒同步测量系统,分别获取了不同空化阶段的空泡形态、水动力、结构变形及相应诱导的结构振动特性。研究结果表明,弹性水翼的水动力系数在无空化阶段几乎保持不变,随着空化产生,升力、阻力和扭转力矩系数都随着空化数减小呈现先增大后减小的趋势。水翼在云状空化阶段下振动最为剧烈,大尺度空泡的周期性脱落导致结构振动速度呈现周期性变化。初生空化、片状空化和云状空化阶段的振动速度、概率密度分布均服从高斯分布,其中云状空化阶段的高斯分布曲线均方根最大,这是由于云状空泡团的脱落和溃灭导致的速度波动较大。在云状空化阶段,较大空化数下呈现回射流非定常脱落机制,较小空化数下呈现激波非定常脱落机制。回射流机制下,空穴演化呈现附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭的非定常过程。激波机制下空穴演化具有附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭-残余空穴溃灭的非定常特征。不同脱落机制下结构振动特性存在显著差异,回射流机制呈现小幅、高频的振动特性。由于大尺度空泡团的溃灭激波及其引起的附着空...     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统（DPIV）对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测。结果表明：在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性。     

旋转爆震发动机火焰与压力波传播特性

为研究旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)工作过程中火焰与压力波的传播特性,在采用非预混喷注方式的H2/Air发动机模型上进行实验,采用的测量装置包括离子探针、高频压力传感器和高速摄影。结合离子信号曲线、压力曲线和高速摄影图片,分析了从点火到形成稳定旋转爆震波的过程,从测量结果中观察到了燃烧波的对撞现象及火焰与压力波的发展过程;在RDE的稳定工作过程中,火焰与压力波耦合,通过分析离子信号曲线,发现离燃烧室入口较近的点受新鲜反应物喷注的影响较大,并解释了实验所得爆震波的速度亏损和压力峰值相比于理论C-J(Chapman-Jouguet)值偏低的现象;在RDE熄火过程中也观察到了压力波和火焰的耦合,但离子信号峰值、压力峰值及压力波瞬时传播速度持续下降,一段时间后,发动机熄火。这些研究结论对理解RDE中旋转爆震波的起始和传播机理具有一定的参考价值。     

正弦波型高频动态压力光学校准系统及其应用

动态压力是气动部件表面的关键气动参数。光学压力敏感涂料（PSP）测量技术在测量气动部件表面动态压力方面具有全域测量、不影响流场自身的优势，而光学压力敏感涂料的动态响应特性则是进行动态压力测量的决定性因素。基于声学驻波管原理，自主设计并组建了正弦波型高频动态压力光学校准系统，主要包含有驻波管型校准舱、声源、激光源、高频压力传感器、光电倍增管以及测控系统。对动态压力光学校准系统及某新型快响压敏涂料的实验结果表明，所组建的动态压力校准系统可产生最短响应时间12.5 μs、最大压力幅值为4.37 kPa的正弦型动态压力，其有效动态频响范围为0.4~20.0 kHz（50 μs~2.5 ms），不确定度小于0.004 9%；校准系统合理的光路布局可进行快响压敏涂料动态特性的校准，所测涂料可用于动态频响不高于9.1 kHz（响应时间为109.9 μs）的非定常流场的压力测量。     

导流块深度对楔形空腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对楔形空腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对导流块深度分别为0、5、10、15mm的楔形空腔内激波聚焦的过程开展了实验和数值模拟研究。用高速CCD(charge coupled device)拍摄了楔形空腔中气流流动的纹影照片,用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,并用高精度的数值方法对该过程进行了数值模拟研究。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦的过程发现:导流块深度越深,前导激波和压缩波两者聚焦的时间间隔越小,因此增大了激波聚焦的强度和空腔底部的压力峰值。导流块深度会影响二次激波形成的时间和发展程度,从而影响激波聚焦过程中楔形空腔内流场的紊乱程度。      

激光引致水诱导空气击穿所获无约束流场演化过程的实验研究

流场演化过程是揭示激光推进机理的重要研究内容之一。利用纹影系统和PCO-HSFC 高速相机,首次拍摄了自来水诱导CO₂激光击穿空气产生的激波向空气和水中的演化过程。阐述了产生两次气蚀空穴的原因：初始时刻产生的空穴为激波作用于水面所致,第二次空穴出现在相机被触发后约8 μs 时,是激光烧蚀水蒸气作用于水面所形成的低压区。实验结果表明：击穿后流场向激光入射方向（空气中）演化较快,激波初速度较大,约为6 km/s;流场向水中演化相对较缓,激波初速度约为3.33 km/s。两者都服从指数衰减,分别在约73.368 μs 和41.649 μs 时衰减到声速。研究结果对于把水作为工质应用于激光推进有一定意义。     

气流出口型面对凹面腔内激波聚焦起爆的影响

为提高两级脉冲爆震发动机工作的可靠性,探寻强化凹面腔内激波聚焦起爆爆震波的方法,通过数值模拟,采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂,探讨了3种凹面腔气流出口型面及出口面积对激波聚焦起爆的影响。结果表明:采用垂直出口壁面有助于提高凹面腔内的激波聚焦起爆压力和温度,使起爆时刻提前,随着出口面积的减小,激波聚焦峰值压力有较大的提高;但效果不如垂直壁面,随着倾斜壁面出口面积减小,起爆点的压力和温度只有小幅度增加,起爆时刻基本无变化;采用弧形出口壁面,不能对向凹面腔底部传播的激波产生反射强化作用,不能有效起爆爆震波。对比3种出口壁面型面,垂直壁面能更有利于凹面腔内的能量聚集,强化激波聚焦起爆爆震波。      

轴向入射激波反射聚焦的实验和数值模拟

为研究两级脉冲爆震发动机凹腔入口宽度对第2级凹腔中激波聚焦过程的影响,设计轴向入射激波聚焦的实验系统,对不同入口宽度下激波反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟。采用纹影系统拍摄凹腔中的流场结构,并测量了凹腔顶点处的动态压力。采用保持强稳定性（SSP）的Runge Kutta格式、weighed essential non oscillation（WENO)格式和块结构网格自适应加密（SAMR）算法对激波反射、衍射和聚焦的过程进行了数值模拟,数值模拟结果和实验吻合较好。通过分析比较相同马赫数激波通过不同宽度凹腔的反射聚焦过程,发现较小宽度凹腔入口下激波反射和聚焦较强,顶点的压力峰值较高,激波聚焦诱导的射流较强。      

Experimental investigation of thermal effect on cavitation characteristics in a liquid rocket engine turbopump inducer

The objective of this paper is to investigate the effect of water temperature on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments at different temperatures have been conducted in a newly developed visualization test facility. It is found that higher temperature shows little influence on the non-cavitation performance and breakdown characteristic in the investigated range. The relationship between cavitation development and pressure fluctuation has been discussed in detail. Higher temperature displays a remarkable stabilization effect on the cavitation excited pressure. In particular, the inception cavitation numbers of both the super-synchronous rotating cavitation and synchronous rotating cavitation are decreased at higher temperatures, and the corresponding frequencies are not affected, while the amplitudes are distinctly reduced, and the occurrence range of synchronous rotating cavitation is significantly narrowed. A generalized Rayleigh-Plesset equation has been employed to account for the thermal effect on the bubble development, which may provide a deep insight in understanding the experimental results. Thermal effect is found to act as a remarkable dissipation mechanism to suppress the bubble growth, smooth the collapse. In particular, the excited pressure during collapse is smaller at higher temperatures, which may lead to the stabilization effect of high temperature in this study.     

非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H2/O2/N2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变;导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。      

二维凹面腔内暂冲式激波聚焦机理的实验

针对两级脉冲爆震发动机中第二级凹面腔内激波聚焦起爆能量和周期的研究,设计了二维凹面腔内暂冲式激波聚焦实验系统。通过分析粒子图像测速系统捕捉的照片和动态压力数据,获得了凹面腔内激波聚焦高压区压力特性和多循环流场演化特征。并且开展了A和B两种型面凹面腔的对比实验,进一步分析了多循环激波聚焦的形成机理。结果表明:入射激波第一次在凹面腔底部聚焦后形成的聚焦反射激波在喷口射流边界上发生反射,产生的反射激波再次在凹面腔底部聚焦,形成了第二次激波聚焦,如此往复便形成了周期性的激波聚焦,聚焦频率高达7~10kHz;并且,速度场和射流强度随入射激波碰撞而减弱,在排气过程中又增强,呈现周期性变化。      

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。