80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究

在中国航空工业空气动力研究院FL-5低速风洞进行了80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究.介绍了能产生扫描式6片光的旋转镜平行多片光装置;介绍了能产生连续、均匀的示踪粒子且粒子浓度可调的气压式粒子发生器;介绍了测量涡跳动频率的光学方法和用应变天平测量模型抖动频率的方法,并对大迎角和大滚转角时涡跳动频率和模型抖动频率进行了测量,结果表明:a=42°、φ=42°时模型抖动频率(7.2Hz)和涡跳动频率(7.75Hz)接近,模型的抖动可能是由前缘涡的非定常跳动引起的;介绍了流动图像处理的相位平均技术,该技术可用于动态流动显示和测量,并可对动态迟滞效应进行定量分析;介绍了流动显示图像的三维重建技术,该技术可用于显示空间涡的结构并分析其机理.     

旋转圆柱绕流的PIV实验研究

投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流.探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究.实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究.通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响.为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势.发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小.在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征.随着转速变大,涡旋尺度变小.在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布.     

基于实测的古斯塔夫飓风非平稳特性分析

根据美国路易斯安娜州立大学飓风研究中心对古斯塔夫(Gustavo)飓风的实测资料,首先采用传统方法统计出不同高度处强风的基本参数特性,然后运用轮次法对不同高度、时距和起始点的风速样本进行非平稳特性检验,最后基于希尔伯特-黄变换(HHT)方法对于呈现非平稳特性的风速序列进行经验模式分解(EMD)和时-频-谱联合特征分析.分析发现,飓风的湍流强度和积分尺度较良态风场相差较大,并且其平均风速也极不稳定;通过轮次法对不同高度和时段的风速时程检验发现,非平稳特性与高度和统计时段大小密切相关,相应的10min时距的风速样本也存在非平稳特性;HHT对非平稳风速序列分析结果表明,飓风的非平稳特性主要是由时变的平均风速引起,其能量和频率随着时间的变化明显,并且主要能量集中在0.05~0.2Hz频段内,但EMD分解和Hilbert谱结果表明高频能量同样不能忽略.最终得出的结论为:基于传统的分析方法可以很好地获得基于平稳假定的飓风统计参数,但不能获取其非平稳信息,而轮次法和HHT方法是识别非平稳和分析其时频谱联合特性的良好方法.     

基于回流多风扇主动控制引导风洞的风场模拟试验

为了深入开展复杂建筑物及输配电线路的台风风荷载研究,提升复杂建筑物及输配电线路抗台风灾害的能力,拟研制一种回流多风扇主动控制风洞。为了突破回流多风扇主动控制风洞结构设计的关键技术,验证全尺寸风洞能否达到预期指标,研制了回流单动力段主动控制引导风洞。文中主要介绍了该引导风洞的结构设计和主动来流(均匀流场和湍流流场)模拟试验。试验结果表明:该引导风洞的最大风速达到18.2 m/s;正弦脉动流场风速为15.1 m/s(平均速度)±3.8 m/s(振幅)时,最大频率为7 Hz;正弦脉动风场模拟相似度高达94.3%。     

零质量射流激励器内外流动特性的PIV研究

设计了腔体透明的电磁式零质量射流激励器.采用非接触式瞬态流场测试技术,对激励器腔体内部和外部的流场进行了定量测量.研究了激励驱动信号频率变化对射流形成的影响,研究结果表明50Hz为射流的共振频率,可以产生最强的射流.比较和分析了共振频率下零质量射流平均和瞬态流场特性.同时观察到,在激励周期的"吸入"阶段,周围气体向激励器腔体内向补充,腔体内部也会产生反方向的"零质量射流"现象.     

非平稳脉动压力数据的SPWVD时频分析技术研究

对于高速风洞中进行的非定常流动脉动压力实验,由于传统的Fourier变换无法表示脉动压力频谱特性随时间的变化规律,因此必须借助时频分析工具进行数据处理.根据非定常流动脉动压力信号的特点,通过对几种时频分析方法进行理论分析与比较,确定Smooth Pseudo Wigner-Ville Distribution(SPWVD)方法是比较合适的分析工具.通过对实验数据进行处理,发现SPWVD具有较好的时频聚集性,能够有效地消除二次型分布固有的交叉项干扰;基于SPWVD的时频分析技术能够刻画出某实验舱门开闭过程中脉动压力的能量密度、瞬时功率以及能量谱密度随时间、频率的分布特性与动态变化;在流场参数发生改变时,SPWVD能够正确地反映出脉动压力特性随流动形态的变化.     

X射线热击波的产生、危害及其模拟

高空核爆炸时,X射线能量占的比重很大,约为总能量的70％。当弹头遇到高空核拦截时,X射线作用到弹头上,在弹头材料中产生热击波。据估计,一枚百万吨级核弹在100公里高空爆炸时,距爆心5公里处单位面积上的X射线能通量约为10~(10)erg/cm~2。这样强的能流作用在弹头壳体上,壳壁材料内产生很大应力。对玻璃钢能产生峰值应力为万巴级的热击波,如此,弹头壳体     

飞行器大攻角升沉平移

为了测量由升沉和平移加速度(和)产生的导数,进而将组合动导数分开,来改善飞机飞行特性的预测效果,中国空气动力研究与发展中心低速所开展了大攻角升沉平移加速度导数测量技术研究工作.采用刚性强迫振动法,研制了试验装置,测量了由升沉平移加速度产生的动导数和"静导数".给出了升沉振动试验在振幅为60mm,频率为1.0Hz、1.5Hz,α=0～45°,Re=0.76×106情况下的典型试验结果.小攻角情况下,Cm为负值,是动稳定的,且随攻角变化不大,而在大攻角情况下,由于非定常气动力的作用,Cm变化剧烈而且出现动不稳定.从典型试验结果看,该技术是成功的,所获数据是合理可靠的.     

基于两阶段优化的初至波自动拾取算法

拾取初至波是近地表建模方法中的重要步骤。初至波的精确拾取可以影响到很多方面的工作,例如静校正和速度建模等,但是初至波受到强烈的背景噪声和复杂的近地表结构的影响,拾取的精确性会减低。本文提出了基于两阶段优化的初至波自动拾取算法。本文把初至拾取问题分成了两个子问题,分别产生两个优化目标,根据优化目标,生成优化函数。算法采用两个步骤:(1)先用纵向滑动窗口把初至波可能存在的范围带找出来;(2)改进了能量比率算法,在第1步找到的范围带中拾取初至波。在两个数据集上,将FPTO算法与反向传播神经网络方法(Backpropagation neural networks method,BNN)、直接相关方法(Direct correlation method,DC)以及Coppens的改进方法(Modified Coppens’s method,MCM)3种算法进行了对比,精确度得到了很大提升,算法的稳定性得到证明。     

超声速弹头凹型光学头罩流动显示研究

在自行设计的Mα=3.8超声速风洞中,采用基于纳米技术的平面激光散射(NPLS)方法对超声速弹头凹型光学头罩流场进行了流动显示实验.高时空分辨率的NPLS图像再现了激波、膨胀波、边界层及尾迹等流场结构.观察到了边界层的产生、发展及转捩过程.通过对时间相关图像的分析,可以精确测定边界层内大尺度结构的几何特征和时间演化特征.     

外腔式Fabry-Perot光纤传感器的研制及其在智能材料中的应用

在制作外腔式Fabry-Perot干涉 (FPEI) 光纤传感器中,提出并解决了基于抛光光纤端面并在其上镀上多层介质膜的关键技术,从而解决了外腔式Fabry-Perot干涉光纤传感器的干扰和稳定性问题.使探测系统大大简化,传感器性能显著增加,成本下降.本文还首次用模式理论计算了两波的干涉输出光强与位移的关系.最后将FPEI应变传感器贴附在一个分布式智能悬臂梁上,检测到振动频率及轴向应变值,其结果与用压电片监测到的结果完全一致.     

大气环境中喷流等离子体隐身试验研究与分析

介绍了喷流等离子体隐身技术的原理性试验及其数值计算.试验是在大气环境中利用微型固体火箭发动机作为等离子体发生器,选择不同的发动机参数和推进剂控制发动机产生不同的喷流等离子体.在小双站角方式下,使用X波段连续波雷达系统测量了不同的喷流等离子体覆盖金属目标表面时的微波散射功率.试验结果表明,等离子体层厚度为9cm、电子密度分布接近为高斯分布、电子与中性气体的碰撞频率为高斯分布、峰值电子密度为1012/cm3量级、峰值碰撞频率为2.2×1011Hz的喷流等离子体对X波段微波具有明显的吸收作用,平均吸收达到90%.数值计算采用时域有限差分(FDTD)方法中的直接积分方法,用试验获得的等离子体层厚度、电子密度分布、电子与中性气体碰撞频率的空间分布等参数计算了有等离子体覆盖时金属目标的雷达散射截面(RCS),选用的微波频率为X波段的典型频率10GHz.数值结果表明,试验产生的特定等离子体能够有效地吸收电磁波的能量,减少RCS.数值计算结果和试验结果较吻合.     

基于升华法的后掠翼混合层流控制研究

在低湍流度风洞中针对45°后掠角NACA64A-204翼型模型,采用升华流动显示技术研究不同吸气量和不同迎角状态下混合层流控制(HLFC)对转捩位置的影响.结合热线方法测量流向速度研究扰动增长的机制.实验结果表明:萘升华流动显示技术适合用来研究HLFC方法对后掠翼转捩的影响,可以直观和准确地表示后掠翼上的转捩位置;在无吸气的情况下,随着迎角从-6° 到2°增大,层流区长度先增大后减小;HLFC方法可以显著推迟由横流不稳定触发的转捩;在同一迎角下增加吸气量,可以更有效地减小主要扰动波的能量.     

实心/空心杆结构的损伤容限与疲劳寿命估算

对飞机辅助动力装置的支撑杆(实心和空心)的损伤容限进行了研究.该研究探索一旦支撑杆损伤出现微小裂纹,飞机是否还能够安全着陆.首先,计算了两种可能用作支杆结构的裂纹应力强度因子KI,并提出了等应力强度因子的计算模型iso-KI,该模型避免使用材料参数,采用有限元法计算裂纹.然后,将问题进行了参数化,对于不同的材料、内外径比(Din/Dout)及外部裂纹扩展角(θ),得到了通用的应力强度因子KI与裂纹尺寸的关系.最后,用面向对象编程方法,将计算结果集成到程序中,在有统计载荷谱的情况下,可以估算出支撑杆的损伤容限寿命.     

亚临界雷诺数细长体绕流流态随迎角的变化和分区

通过在北航1.2m水洞中利用染色液显示和激光片光技术的显示实验以及在西工大NF-3风洞中进行的表面测压实验,对拱形头部细长旋成体在无侧滑条件下的流场结构和流动特性随着迎角的变化进行了实验研究。在流动显示和测压结果分析的基础上,对迎角从0°到90°范围内绕细长体的流动进行了流态分区,即细长体绕流经历6种流态:极小迎角下(0°≤α≤3°)物面附着绕流流态、小迎角下(3°<α≤25°)背部对称旋涡流态、中等迎角下(25°<α≤40°)背部2个非对称旋涡流态、大迎角下(40°<α≤60°)的非对称多涡系复杂流态、特大迎角下(60°<α<75°)背部多个旋涡依次破裂的流态、极大迎角下(75°≤α≤90°)背部类卡门涡街(或随机尾迹)流态。阐述了不同区域的流动特性和气动特性。     

施放深度对气泡水体携带能力影响的实验研究

水中上升气泡对周围水体的携带能力受多方面因素的影响,由于测量手段缺乏等原因,其影响规律研究一直是两相流领域的难点.引入气泡上升携带水量的概念表征其水体携带能力的大小,进而利用专门设计的实验装置,采用双液分离测量法,调整喷嘴至27.5~52.5cm之间的不同施放深度,进行气泡上升携带水量的测量实验.结果表明:在注气量(20ml)和注气速度(3ml/s)等一定的条件下,随着气体施放深度的增加,气泡水体携带能力呈现缓慢增强并逐渐稳定的总趋势,但其间(施放深度约35.0~45.0cm)该能力会略有下降,并有极小值出现;且在绝大多数情况下,小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力稍强.上述结论可为化工等领域工程应用中设计合理气体施放深度、确定最佳喷嘴口径等问题提供参考依据.     

Al-Cu-Li合金电子束焊接头的微观组织结构

采用真空电子束焊接Al-Cu-Li合金,分析了焊态下接头的微观组织以及焊后热处理对接头微观组织结构的影响。结果表 明,在焊态下,焊缝中心为典型的树枝晶,在树枝晶界分布着共晶组织,其主要组成相为α+θ′(Al2Cu),焊缝中的强化相数量较少。经过焊后热处理,接头焊缝区组织发生了显 著变化,焊缝中心组织由树枝晶转变为等轴晶,焊态下的晶界偏析现象得以消除,焊缝中析出了数量较多的球状δ′(Al3Li)相以及细针状T1(Al2CuLi)相,使接头的力学性能明显改善,接头抗拉强度由焊态下的348 MPa提高到热处理后的423 MPa,接头拉伸断口呈韧性断裂特征。     

介质阻挡放电等离子体对NACA0015翼型流动控制的PIV实验研究

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,研究了介质阻挡放电等离子体激励对NA-CA0015翼型表面流动分离的控制特性.通过风洞实验,研究了电极电压、电极位置和布置方式等参数对翼型分离控制的影响规律,并初步分析了等离子体流动控制机理.结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制翼型的流动分离,实现气流的完全再附着;在来流速度为20m/s时,将气流再附着的迎角提高了5°.     

用PIV技术研究汽油机缸内流场的湍流积分尺度

对一台四气门单缸发动机进行了改装,以便于应用粒子图像速度仪(PIV)研究其在进气和压缩冲程缸内横截面内湍流积分尺度的演化过程.结果表明在整个过程中,缸内流场y方向的速度分量在x和y方向的两条空间平均积分尺度曲线一下一上,基本相互平行;x方向的速度分量在x和y方向的空间平均积分尺度的变化基本保持重合一致,随曲轴转角增大略有下降的趋势;在进气上止点后150°CA时y方向速度分量对x和y方向的空间平均积分尺度曲线同时跃升到峰值,此时整个流场积分尺度也达峰值,接近4.0mm;y方向速度分量成为影响整个流场积分尺度发展的主导因素.     

KrF激光对高速飞片的驱动特性研究

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子(248nm)激光驱动带有烧蚀层的平面靶,研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响,结果表明激光不均匀性在2%以下,能够产生完整的高速飞片,且完整飞片能够维持20ns以上不破裂;当激光不均匀性达到5%,激光引入流体力学不稳定性种子应很强,冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强,到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化,不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度,采用激光与烧蚀层参数不匹配方法,使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012 W/cm2的KrF激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用,得到速度约10km/s的高速飞片,与模拟结果吻合得很好。