高超声速快响应PSP测量技术研究进展

高超声速流动中普遍存在转捩、分离和激波–边界层干扰等复杂流动现象,会导致飞行器表面压力分布复杂且变化剧烈。压敏涂料（PSP）具有非接触、高空间分辨率以及全场测量等显著优势,是高超声速气动测试亟需的精细化测量技术。近年来,随着PSP响应速度的提升与测量方法的发展,其应用已逐渐由常规低速/高速风洞测试拓展至高超声速领域,在高速运动模型测试方面也取得了突破。本文介绍了快响应PSP测量技术的最新研究进展,结合两类典型的高超声速风洞以及一种相对特殊的自由飞弹道靶设备,分别探讨了PSP测量技术的挑战与对策,并展示了相关应用实例,最后对高超声速快响应PSP测量技术研究进行了展望。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上,形成多功能示踪粒子,从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry,PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint,PSP）技术相结合,发展了一种流场压力与速度同步测量的技术,为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统,对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量,研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明,制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性,其压力响应时间区间为40~70μm,符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能,其中2μm粒子松弛时间为7.5μs,有较好的跟随性能。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

高频响流场测试TR-PIV系统技术及其应用

系统地介绍了高频响流场测试TR-PIV技术的基本原理、系统结构及组成,并对其三大关键技术即高速相机、高频响激光器和高速数据存储技术进行了系统的技术分析。结合TR-PIV实验系统要求,对商业高速相机和高频响激光器技术的现状进行了介绍和分析。TR-PIV实验过程中产生的大量数据图像文件对实验系统数据传输带宽的高要求,制约着实验数据采集频率和总实验时间两个参数。建立了基于PCI-E间接存储技术的TR-PIV流场测试系统并利用该系统对低速循环水槽中自由来流方柱绕流场进行了长时间110Hz连续采样,获取了方柱尾迹中旋涡结构的时空演变特征。研究结果对于集成建立高频响TR-PIV测试系统及其应用具有较好的指导价值。     

复杂固体边界流场的三维 PIV 测试技术：任意三维边界识别算法

针对复杂固体边界三维流场的 PIV 测试应用,以及流固耦合实验研究中流场和固体结构特征的瞬态同步测试需求,发展了一种基于双相机布置形式的任意三维边界识别算法以精确获取三维表面几何信息;并以基于MLOS-SMART 三维粒子场重构的 Tomo-PIV 算法计算三维速度矢量场,可同步获取三维表面结构运动／变形信息和三维瞬态速度场。这一边界识别算法基于 SURF（加速稳健特征）模式识别算法进行三维曲面重构,可以确定流场中三维物体结构的边界特征。论文采用双相机布置方式获取了三种不同曲率的圆柱曲面图像,验证了所发展的三维边界识别算法的准确性。最后以圆柱绕流 Tomo-PIV 数字合成粒子图像序列为验证对象,采用所发展的边界识别算法和 Tomo-PIV 算法分别高质量地计算出圆柱曲面信息和三维速度场。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究:薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

并联石墨烯热声激励器的声场建模及实验研究

主动流动控制技术是提升航空航天飞行器气动特性的有效手段,其中激励器是这些控制技术的核心组件,如等离子体激励器、合成射流激励器以及振荡射流激励器等。本文提出了一种基于热声效应的并联石墨烯热声激励器,该激励器具有结构简单、输入功率低、控制频率宽以及结构适应性强等优点,能够适应飞行器各种复杂曲壁面安装环境和变飞行工况,具有良好的应用前景。具体而言,该热声激励器利用石墨烯材料比热容极低和热导率高的特性,通过焦耳加热原理向周围空气辐射周期性的声场以进行声激励控制。首先,通过热声理论对石墨烯热声激励器进行声场建模,建模中加入了组合声源叠加原理,优化了声波相位差和声场指向性计算方法;其次,改进了石墨热声烯激励器的电路连接方式,采用并联石墨烯薄膜有效提升了声场声压幅值;最后,搭建了石墨烯热声激励器的声压测试平台,验证并研究了并联石墨烯热声激励器的声场特征,分析了输入功率、频率、测试距离等因素的影响。     

基于实验数据同化的湍流模型常数标定:含滤网蒸汽阀门通流特性数值预测

为准确预测含滤网蒸汽调节阀通流特性,采用集合卡尔曼滤波算法,通过拉丁超立方抽样生成湍流模型常数的样本库并获得对应流场计算结果,融合部分开度下的阀门蒸汽流动压比-流量实验数据,对k-ωSST湍流模型的常数进行了重新标定.针对独立实验测量所得的流量数据,对比分析计算结果表明:重新标定的模型常数可以有效提高通流特性预测模型的...     

湍流壁面脉动压力场测量技术:传声器阵列

在壁湍流中,壁面压力脉动虽然信号微弱,但包含了湍流中许多旋涡结构运动特征。本文详细介绍了一种传声器阵列测量技术,通过测量壁湍流壁面脉动压力场来快速检测壁湍流场中不同尺度的旋涡结构运动特征。为此,在自行设计的声耦合腔标定装置上对各传声器进行标定得到其幅频-相频响应特性传递函数。实验建立了传声器阵列测量系统,以后台阶湍流作为例,将16个传声器以阵列方式沿流向安装在台阶下游壁面上,对分离再附湍流的壁面脉动压力场进行了同步测量和信号重构。实验结果分析表明:传声器阵列测量技术可以很方便地捕捉到壁湍流中旋涡结构的非定常运动特征。这种传声器阵列脉动压力测量技术在风工程、空气动力学等非定常流动实验研究中有很好的应用价值。     

低旋流数旋进射流流动特性的PIV实验研究

采用粒子图像测速技术,研究了当雷诺数Re=4.5×104时低旋流数旋进射流的流动特性。针对3种不同旋流数（S=0、0.26和0.41）,对比分析了时均流向速度场、流向速度脉动强度场以及时均涡量场的变化规律。实验测量结果表明:随着旋流数的增加,流向速度大小及其脉动强度沿流向衰减加剧,而射流中心线上的速度脉动强度增强;因腔体壁面空间限制而产生的回流区向上游移动且尺度变小;外剪切层中旋涡的流向发展急剧衰减而内剪切层内的旋涡几乎不受影响。此外,结合速度谱和典型时刻的瞬态流场特征可知,旋流数增大后,旋进频率增大,而旋进现象发生的起始位置向上游移动,使得旋进偏转角度增大。