CARDC 激波风洞 TSP 技术研究进展

从基本原理、关键技术和验证应用三个方面总结了近两年在中国空气动力研究与发展中心激波风洞中开展的温敏涂层(TSP)技术相关研究工作。通过解决快速响应温敏发光材料研制、模型研制、数据处理等一系列关键技术,完成图像采集系统、光学系统及标定系统的配套和系统集成,建立了一套适于激波风洞试验的高速 TSP 测量及标定系统。该技术可在激波风洞试验中获取模型被测面温敏涂层的发光图像,基于该图像可以直接观察模型表面热流分布和捕捉峰值热流的准确位置。结合温敏发光材料的物性参数标定数据,能够实现对模型表面热流的定量测量。不同于传统的传感器点热流测量技术只能得到模型表面有限数量的离散点的热流值,TSP 技术能够以高空间分辨率得到较大面积区域的详细热流分布信息,可更加全面的测量模型外表面的热环境,并且可以据此进一步分析和辨别边界层流态以及确定边界层转捩位置。试验对比表明,TSP 技术的测量结果与点热流传感器的测量结果具有良好的一致性。目前该技术已趋于成熟,在Φ2 m 和Φ0.6 m 激波风洞上成功应用于边界层转捩研究、局部干扰区热环境研究和复杂外形飞行器热环境研究等领域,已成为激波风洞除点测热技术之外又一重要测热技术。     

高度欠膨胀声速射流的自相似特性

构建了高压气体射流模型和高分辨率的计算网格,对喷压比（NPR）为5.60、流动雷诺数Re为105量级的高度欠膨胀射流进行了三维大涡模拟（LES）计算.讨论了时均的射流近场结构,发现大涡模拟成功捕捉到了高度欠膨胀射流近场的典型波系结构,并与文献结果吻合较好.研究着重定量考察流向速度和氮气质量分数的分布规律,以揭示高度欠膨胀射流的自相似特性.结果表明:在射流核心区之后,不同流向位置上流向速度和氮气质量分数沿径向的分布呈现出与亚声速射流类似的自相似特性.但射流流场开始呈现自相似的位置仍然为超声速,这是高度欠膨胀射流自相似特性的独有特征.提出了高斯拟合公式,在靠近和远离射流中心线的区域内均可较好地表征射流的自相似特性.此外,还考察了射流剪切层的发展特征,比较了计算得到的射流剪切层增长率与先前实验测量结果的差异,并分析了其中可能的原因.      

考虑膨胀效应的UH模型及其有限元实现

超固结非饱和土统一硬化(UH)模型在分析超固结非饱和土问题中有广泛的适用性,其不仅可以使超固结状态下的湿化模拟更为合理,也能够反映超固结非饱和土的硬化、软化等特性。在超固结非饱和土本构模型的基础上,考虑土体团粒的吸水膨胀作用,提出了考虑膨胀效应的UH模型。该模型只比超固结非饱和土UH模型增加了一个参数,不仅能够描述普通加载路径下超固结膨润土的应力应变特性,还能反映其在湿化路径下的膨胀效应。基于有限元软件的二次开发平台,进行了考虑膨润土膨胀效应UH模型的有限元实现,并通过对三轴试验和膨胀力试验的数值模拟,验证了模型子程序的合理性。      

在片校准标准件基底边界条件影响

通过分析国内外校准标准件物理边界条件,研究不同校准基底的物理边界条件对共面波导（CPW）传输线特性和校准准确度的影响。研制了W波段砷化镓衬底的多线TRL在片校准标准件,将在片校准标准件分别放置在金属卡盘、玻璃片、吸波材料三种校准基底上。用三种不同校准基底的校准标准件对试验装置校准后,分别提取了CPW传输线的衰减常数、相对介电常数和特征阻抗,并对商用校准标准件104-783A的短路标准和传输线标准进行了测试,验证了结果的合理性。     

绝对不稳定性理论在尾流稳定性分析方面的研究

介绍了绝对／对流不稳定性的理论框架，并应用于钝体尾流剪切层的稳定性分析研究中。钝体尾流可以认为是局部平行流，而局部平行流的稳定性分析可以归结为Ｏｒｒ－Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ方程的求解。Ｏ－Ｓ方程求解化为一个复广义矩阵问题ＡＸ＝ωＢＸ，并分别约化Ａ，Ｂ为上Ｈｅｓｓｅｎｂｅｒｇ阵和上三角阵，通过Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ配置法可以求出特征值。最后对于Ｇａｕｓｓ尾流计算模型，给出了其在不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ下，流动     

利用均匀抽吸地板进行高速列车模型地板边界层影响的试验研究

在KD－03低速风洞中研制了一种边界层可人为控制的均匀抽吸地板。研究了在各种来流速度下均匀抽吸地板上边界层与抽吸系数的关系。在该地板上对高速列车模型气动力与地板边界层的关系进行了实验研究。对实验的几种模型状态，边界层吸除使列车模型所受阻力、负向升力和低头力矩均有明显增加，其增量与模型底部形状有关；在有侧滑角时，边界层吸除对模型气动力的六个分量均有影响。在没有边界层控制的固定地板上进行高速列车模型风洞实验，会使实验结果固边界层的影响而产生较大偏差。利用均匀抽吸地板可有效地消除边界层的影响，从而较准确地模拟地面效应的影响，提高高速列车模型风洞实验气动载荷的实验精度。而且，它的实验结果可为没有地板边界层控制装置的风洞中同类模型实验的边界层修正提供参考依据。     

体育场挑蓬风荷载模拟实验研究

能容纳五万多观众的浙江省黄龙体育中心主体育场,在观众席上建有能遮挡风雨的挑蓬,挑蓬之大达座席覆盖率９０％以上,总面积２１０００ｍ２。挑蓬被支撑在外环梁和由斜拉索吊拉的内环梁上。大跨度梁结构受力问题,是建筑结构业一个十分复杂的问题,而杭州地区的地理位置处于我国的台风区,更显出风荷载影响的严重性。因此需对体育场置于大气边界层风洞中进行风荷载模拟实验,以取得合理的挑蓬体型系数,为结构设计的合理性和可靠性提供重要依据。最终可以节省建筑物的造价。     

战斗机武器外挂投放与内埋投放比较

为了研究弹体外挂投放与内埋投放的区别,利用基于Menter SST湍流模式的改进延迟分离涡模拟(IDDES)方法以及重叠网格技术,分别对亚声速和超声速来流条件下,同一弹体外挂投放和内埋投放进行了数值模拟,得到了亚声速和超声速条件下外挂投放与内埋投放弹体的下落规律。通过对比分析表明:亚声速和超声速来流条件下,内埋投放由于受舱体内强非定常流场以及舱体唇口剪切层的影响,弹体受很大的抬头力矩,弹体姿态角变化较大,投放特性劣于外挂投放。进一步研究表明:在弹射时给弹体一定的低头角速度,使弹体以低头姿态穿越剪切层,则可以大幅度降低剪切层带来的不利影响,提高内埋投放弹体分离品质。     

展向离散抽吸法控制边界层转捩实验研究

通过实验成功发展了一种生成大振幅稳定条带的有效方法,即展向离散抽吸方法。在此基础上,开展条带控制边界层转捩的研究。实验在水洞中进行,以零压力梯度平板边界层为研究对象,利用氢气泡时间线法观测引入条带前后人工激发转捩边界层中扰动发展变化,分析条带对转捩的控制效果及参数影响。结果表明,展向离散抽吸方法生成的稳定条带最大振幅可达28.4%U（U为自由流速度）;实验中引入的宽度14和28mm的稳定条带都能起到抑制转捩的作用;条带振幅越大、宽度越窄,抑制效果越明显。研究结果为探索降低水/空气中航行器摩阻的新技术提供有价值的参考。