(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

超声速平板边界层旁路转捩直接数值模拟

采用具有七阶精度的有限差分格式和基于Euler方程组的特征边界条件,通过直接数值模拟研究了由固定相位周期性吹吸扰动诱导的、Ma∞=2.25、Re∞=2.5×107/m(635 000/inch)空间发展平板边界层的旁路转捩过程,并建立了相应的直接数值模拟数据库。数值结果表明:扰动相位的随机性并不是转捩发生的必要条件,固定相位周期性吹吸扰动即可诱发边界层的转捩;当采用固定相位时,随着吹吸频率的增加,转捩位置向下游移动;当扰动频率足够大时,周期性吹吸无法诱导出边界层的转捩。随后,在所得数据库中提取了速度及热力学变量的平均值,与已有的数据库和理论分析吻合良好;速度脉动均方根与公认的不可压缩平板边界层实验基本吻合;热力学变量脉动均方根和雷诺应力与已有数据库的统计结果及实验数据具有相同的分布特征。对比发现,不同转捩的诱导因素对平均转捩位置和热力学变量均方根、雷诺应力等高阶统计量的影响较大。     

抽吸腔中心隔板对弯曲壁面边界层抽吸性能影响研究

为了研究抽吸腔内隔板对边界层抽吸性能的影响,在弯曲壁面上均匀分布22个抽吸槽,并在抽吸腔内布置中心隔板,改变抽吸腔出口大小以及入射激波的位置。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,从流场结构、抽吸流量、弯曲壁面的表面摩擦阻力系数、平均总压恢复系数以及平均马赫数等方面对流场进行了分析。结果表明在弯曲壁面抽吸腔内布置隔板会对抽吸效果产生影响,并且影响程度随抽吸腔出口大小以及激波位置的改变而改变。抽吸腔出口非节流时:布置隔板后,激波位于弯曲壁面中段、后段,抽吸效果均无明显变化,进气道性能亦无明显改变;激波位于弯曲壁面前段时,平均总压恢复系数增加8.33%,质量流量增加3.27%,抽吸效果有所改善,进气道性能也有所增强。抽吸腔出口节流时:布置隔板后,与非节流时相反,当激波位于弯曲壁面前段时,抽吸效果无明显改变,进气道性能不变;当激波位于弯曲壁面中段时,弯曲壁面分离泡的长度减小近2倍,质量流量增加66.15%,抽吸效果显著增强,进气道性能变好;当激波位于弯曲壁面后段时,分离泡长度增加了5倍,分离泡高度增加了近2倍,平均总压恢复系数降低8.33%,同时质量流量也减少1.83%,抽吸效果变差,进气道性能恶化。     

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。     

不同类型多级等离子体激励器诱导气流的力学特性研究

等离子体激励器通过产生的等离子加速气流,可以实现对流动的控制。单级等离子体激励器由于受到等离子体放电的物理限制,其控制作用较小;为了提高等离子体流动控制的效果,关于多级等离子体激励器的研究得到发展。采用图像采集和粒子示踪测速系统(PIV),对传统多级等离子体激励器和多级双极性等离子体激励器的放电现象以及气流加速进行研究,并通过流场速度分布计算等离子体激励器对空气产生的推力和吸力。结果表明:随着电压的升高,传统多级等离子体激励器产生的推力和吸力会逐渐减弱;而多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力均呈逐渐增强的趋势。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

带褶皱的等张力体航天服软关节设计与实验

面向未来行星表面探测任务,航天服的活动性能需要进一步提高。为此,应改进航天服软关节的结构形式。根据等张力体形状内部承压时不存在周向应力的理论,在该曲面周向上加入褶片结构,设计出了带褶皱的等张力体关节,使之能够沿周向弯曲或伸展。为验证关节性能,利用柔性单自由度关节测量设备,进行了多次加卸载和不同运动范围的力矩特性研究,分析了关节的几何形态、等容性以及主应力状态,并将该关节与无褶皱的等张力体关节和平褶式关节进行了比较,最后讨论了关节的优化方向。结果表明,在测试的0°~80°范围内,关节力矩较小,最大容积变化为1.6%。关节弯曲时,等张力体曲面上周向应力仍可忽略不计。首次加载与之后的加载有一定的差异,而不同的运动范围对关节活动性能无影响。与其他两种关节形式比较,带褶皱等张力体关节在几何尺寸、运动形态和活动性能上都具有一定的优势。此外,该关节可在结构和材料方面进一步优化。     

全光纤电流互感器λ/4波片的研制

光纤λ/4波片的相位延迟量与对轴角度误差是光纤电流互感器最主要的误差源之一.研究通过琼斯矩阵分析法建立反射式光纤电流互感器的偏振光学模型,进而得到了相位延迟量与对轴角度误差和标度因数之间的关系,为误差补偿技术提供理论支持.并且进行了实际研制,使得1/4波片消光比可小于0.2dB.     

空气等离子体射流点火器特性实验研究

为了研究等离子体射流点火提升燃烧室内可燃混合气点火性能的机理,利用建立的实验测量系统,实验研究空气等离子体射流点火器的放电特性和射流特性,并与电火花点火器对比研究在航空煤油/空气混合气中的点火过程。实验结果表明,该空气等离子体射流点火器的击穿电压为9.2k V;相同电压下,电弧电流随工作介质流量的增大而减小,随点火驱动电源输出电流的增大而增大;点火器的伏安特性为下降型;等离子体点火射流长度随点火驱动电源输出电流的增大而增长,随工作介质流量的增大,先增长后缩短;来流速度对等离子体点火射流产生较大影响;等离子体射流点火延迟时间小于电火花点火。     

基于边界层相似性解的放大因子输运模型

为了使二维线性稳定性理论能够适应现代CFD求解技术,通过求解Falkner-Skan边界层相似性方程获得各个形状因子下的相似速度型。基于线性稳定性理论,对各个速度型进行稳定性分析从而获得对应不同速度型的扰动放大因子包络线。最后使用标量输运方程的形式实现包络近似方法中放大因子的当地化求解,并结合原始γ-Re_θt转捩模型中的间歇因子输运方程,实现了自然转捩和分离泡转捩的建模。使用该输运模型对S&K平板、S809翼型、NLR7301翼型和DLR-F5机翼进行转捩预测,结果均与试验结果吻合较好,验证了该模型构建的合理性和可行性。