小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器的研制

为满足常规高超声速风洞试验的热流测量需求,研制了一种小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器。建立了传感器仿真模型并基于该模型对其结构尺寸开展了优化设计。根据优化结果,制作了尺寸为Φ 3×10 mm的传感器样件。在弧光灯热流标定系统上进行了性能测试,试验结果表明:该传感器灵敏度系数大于30 μV·m2/kW,响应时间约50 ms。     

Gardon式热流传感器测试误差分析

本文针对Gardon式热流传感器的测试误差,从理论推导和数值模拟两个方面,分析出Gardon式热流传感器产生测试误差的原因。同时,对理论推导和数值模拟计算分析得出的传感器输出电势与施加热流条件之间的线性关系进行了试验验证。试验结果表明上述两方面分析所得的线性关系真实存在。小量程Gardon式热流传感器在短时间内高热流条件下使用时,其标定系数(灵敏度)可以外延使用,且其稳态测试结果与适用量程的Gardon式热流传感器稳态测试结果较为一致。本文的研究结果拓宽了现有传感器的使用量程,为地面热试验中小量程灵敏度(系数)的热流传感器的超量程使用所获取数据的准确性和有效性提供了有效的理论依据和数据支撑。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术.采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计.测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响.通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线.采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果.     

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中,高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性,提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法,搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置,并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程,可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点,其加热方式为瞬态加热,能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境,可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。     

热防护系统损伤容限分析

建立了含初始矩形损伤的热防护系统(Thermal protection system,TPS)气动热分析的CFD数值模型,分析结果表明损伤区域侧壁出现了很高的热流密度峰值,并且迎风面侧壁峰值高于背风面,而损伤区域底部热流密度却很低。利用分析获得的热流密度建立了含损伤和无损伤TPS的有限元传热分析模型。分析结果表明:损伤的存在导致防热瓦最高温度急剧上升,超过其材料能承受的极限温度(1 500℃),防热瓦首先失效,而损伤对机体最高温度影响较小。最后进行了TPS损伤容限分析,在防热瓦极限温度约束下,外部热流密度最大值从100kW/m2增加到140kW/m2,矩形损伤宽度最大容许值从22.7mm减小到12.6mm,而弧形损伤宽度最大容许值从34.6mm减小到25.1mm,即随着外部热流密度最大值增加,损伤宽度的最大容许值降低,并且相同外部热流密度水平下弧形损伤宽度的最大容许值大于矩形损伤。     

热流校准的不确定度——美国热流计的校准

AEDC(Arnold Engineering Derelopment Center)负责对热流传感器进行校准。本文介绍有关该校准不确定度的研究工作和研究结果。校准总的不确定度是综合AEDC和NBS(美国国家标准局)各自作的几组校准数据求得的。第一组数据是按块式卡计标准校准六个热流传感器得到的,块式卡计和六个热流传感器都是AEDC制造的。校验中采用九支(1kW/支)石英灯组成辐射热源。由这些校准数据计算六个传感器中每个传感器的精度。此六个传感器送到NBS Fire研究中心(华盛顿)进行标准复校。第二组校准数据取自这些复校试验。因此,可以说是按NBS热流标准进行了标准传递。NBS也采用辐射热源,也用AEDC类似的步骤进行校准。比较AEDC和NBS各自获得的数据,确定每一传感器的偏差值。综合此偏差和精度两个数据,计算每个传感器的总不确定度。六个传感器算出的平均不确定度是±3％。     

MEMS梁膜结构流量传感器设计与实现

流量是工业检测重要参数之一。流量检测技术随着微机械电子系统（MEMS）技术的发展与应用，向着小型化、高精度、智能化的方向发展。基于MEMS技术设计了一种梁膜结合的压差式流量传感器结构，分析了其基本工作原理，采用硅微加工工艺对传感器进行了流片加工，然后对封装完成的传感器样机进行了气流和水流静态性能测试。气流测试灵敏度为0.3508mV/（ms-1）2，测试基本精度为0.5885%FS；水流测试灵敏度为41.5241mV/（ms-1）2，测试基本精度为0.9323%FS。结果表明，所设计传感器具有较高的灵敏度与基本精度，从而能完成流量信号的检测。     

含晶界单层过渡金属硫化物的压电效应研究

在单层过渡金属硫化物（Transition metal dichalcogenides,TMDs）的合成过程中,缺陷是不可避免的,而且缺陷对单层TMDs的物理化学性质有着重要的影响。为了研究晶界（Grain boundaries,GBs）对单层TMDs压电效应的影响,基于密度泛函理论（Density functional theory,DFT）,计算了36种含晶界单层TMDs和36种不含晶界单层TMDs的压电系数。结果表明：晶界的存在会增强单层TMDs的压电效应,这是由于晶界会导致体系产生应变梯度,从而激发了挠曲电效应。压电系数的变化呈现明显的周期趋势,即随着硫族元素相对原子质量的增加压电系数逐渐增大,其中,含晶界的单层MoTe₂的压电系数最大为11.17 pm/V,与单层MoTe₂ （8.74 pm/V）相比,提高了约27.8%。本文的研究结果可以为开发应用于飞行器中的高灵敏度传感器和高精度控制器的设计提供理论指导。     

基于混合传热模态的瞬态热流测试方法研究

瞬态热流是电弧加热器试验高温流场需要校测的重要参数。针对高热流、强冲刷试验测试环境,根据能量守恒原则,给出了一种基于热容吸热和一维半无限体传热的混合传热模态的瞬态热流测试方法,分析了有效测试时间范围。在此基础上,设计了一种新型结构的瞬态热流传感器。结合标定试验,对研制的瞬态热流传感器进行动态响应特性检测和准度校准,并应用于电弧加热器试验环境中。结果表明:该瞬态热流传感器具有良好的动态响应性能和抗冲刷能力,可以满足电弧加热器试验环境高热流测试需求。     

MEMS 壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS 壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种 MEMS 热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。     

提高机械式压力扫描阀测量精度的研究

本文介绍提高机械式压力扫描阀测量精度的方法：实时采集传感器的初读数，消除传感器的零漂误差；实时校正传感器，消除电压与压力换算系数的误差；选用高分辨率、高精度的模数转换板；采用数字滤波法及使用小量程传感器提高采集数据精度，使机械式压力扫描间能很好地在低速风洞中应用，并满足试验要求。     

测量不确定度的计算方法

本文主要介绍一种在美国已被普遍采用的测量不确定度的计算方法。着重介绍这种方法的分析步骤、误差的分类、随机不确定度、系统误差限和总不确定度的计算方法,同时还探讨了这种方法尚待进一步研究的问题。最后,作为例子,给出了这种方法在风洞热流传感器校准试验中的应用。     

高超声速风洞流场中的气流旋转影响及消除

风洞实验需要高品质的来流,但部分高超声速风洞由于加热器特性可能导致流场中存在气流旋转,为了消除或减小旋转,提出了在风洞稳定段前加入反向旋转气流来抵消气流旋转的思路。为验证该思路及了解高超声速流场中旋转程度总体效应,设计了一种带翼模型和高精度滚转力矩天平。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了M6、总压约2×105Pa、氮气常温时（电弧加热器不通电）多种进气条件下的滚转力矩测量实验,结果表明流场中存在旋转,滚转力矩系数C_l最大为1.657×10-3,采用约2%总流量的反向气流可达到滚转力矩系数降低2个数量级的效果,为提高风洞流场品质提供了较为有效的解决措施。     

过氧化氢-煤油火箭发动机喷流红外辐射亮度的精确测量

姿轨控火箭发动机喷流红外辐射特性的定量测量,是飞行器突防效能研究以及喷流流场数值模拟计算模型验证中的一个关键环节。为定量研究火箭发动机喷流红外辐射场分布,对某型过氧化氢-煤油小火箭发动机进行了喷流红外辐射特性测量实验。使用的制冷型中波红外相机波段为3.7~4.8 μm,该相机探测阵元平均噪声等效温差为16 mK,输出16 bits信号,具有高灵敏度和大动态范围。通过对红外相机的黑体辐射定标,并对定标误差进行分析,反演所测灰度值图像,在与喷流垂直方向得到中波红外波段的喷流辐射亮度分布。测量结果表明,小火箭发动机喷流中马赫盘结构位置清晰,喷流在中波红外波段的峰值辐射亮度为184 W/（m2·sr）,辐射测量精度为12 W/（m2·sr）。     

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。     

强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在侧风作用下的气动性能,作者以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强侧风下青藏线客车、棚车、集装箱车在桥梁和平地上运行时气动性能进行了测量和分析.结果表明:列车上的侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值随侧滑角的增加而迅速增大;当侧滑角达到一定值时,列车侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值达到最大值,此后,侧向力系数和倾覆力矩系数的绝对值随侧滑角的增加而减小;在同样的运行速度和同样的大风风速下,列车在桥梁上运行比在平地上运行所受到的侧向力系数和倾覆力矩系数大,因而列车在桥上运行也相对较危险.     

巨型晶闸管在大型直流电动机拖动中的应用

巨型晶闸管在国内首次成功地用于大型风洞的动力系统──大型直流电动机拖动系统中，使大型直流拖动的控制系统简化，１０００—３０００ｋＷ系统简化到一个三相全控桥式整流电路，或两个三相全控桥式整流电路并联输出的技术问题上，而且由于系统简单化，潜在的故障因素减少，可靠性增强，维护的工作量也大大减少。本文介绍风洞动力控制系统的实用调速方法，以及用计算机控制速压的方法。     

大型回流边界层风洞的气动与结构设计

大型边界层风洞是开展风工程研究的必备装备。以浙江大学ZD-1边界层风洞的研制为背景,详细介绍了大型回流边界层风洞气动设计和立式结构设计中的关键问题,在风洞气动设计时采用了收缩比为4∶1的单回路单试验段气动轮廓,在试验段中设置了0.22°的当量扩散角,对拐角导流片外形作了特殊处理,并采用钢结构与混凝土结构相结合的立式结构。流场校验结果表明,大型回流边界层风洞的气动与结构设计能满足设计要求,某些指标甚至达到航空风洞的标准,在试验段中设置扩散角有利于降低轴向静压梯度,立式结构设计对提高试验段气流的水平均匀性有一定的作用,可为今后类似风洞的研制提供参考。     

连续式跨声速风洞轴流压缩机气动设计与低噪声设计

连续式跨声速风洞是采用轴流压缩机驱动的、可持续运行的变密度回流式风洞.一方面,此类风洞具有运行工况范围宽的典型特征,驱动风洞主回路气流的轴流压缩机需要具备在宽工况范围稳定高效运行的能力;另一方面,良好的风洞试验段动态流场品质要求轴流压缩机进出口气流噪声不高于140 dB.宽工况范围的高效稳定运行要求和低噪声设计要求给连...