气动光学效应分析与气动模糊图像复原

针对超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算,并对气动模糊图像进行了复原.首先根据计算流场时使用的湍流模型及其控制方程,计算脉动流场气动光学效应所对应的点扩散函数.计算结果表明,气动光学点扩散函数的幅度响应函数具有低通特征,使目标图像成像模糊.在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重.通过把气动光学效应传递函数应用于风洞实验吹风前图像,并将得到的气动模糊图像与吹风后实测图像的对比,验证了理论点扩展函数的正确性.最后,提出了一种改进的Landweber迭代图像复原方法对气动光学效应进行了校正.该方法在每一步迭代时对松弛因子进行修正,具有较快收敛速度和更好的复原效果.     

超音速湍流脉动流场气动光学效应分析

对高超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算.根据CFD计算流场时所使用的湍流模型及其控制方程,推导出流场的折射率脉动方差控制方程.用统计方法,求出该脉动流场的系综平均光学传递函数及相位均方差,从不同角度描述了湍流脉动的气动光学效应.计算结果表明,气动光学传输函数的幅度响应函数具有低通特征,使所获得的图像发生像模糊,而相位响应函数则导致红外成像相位非线性偏移.此外,在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重.电弧风洞实验结果验证了本文理论分析的正确性.     

超音速湍流脉动流场气动光学效应分析

对高超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算.根据CFD计算流场时所使用的湍流模型及其控制方程,推导出流场的折射率脉动方差控制方程.用统计方法,求出该脉动流场的系综平均光学传递函数及相位均方差,从不同角度描述了湍流脉动的气动光学效应.计算结果表明,气动光学传输函数的幅度响应函数具有低通特征,使所获得的图像发生像模糊,而相位响应函数则导致红外成像相位非线性偏移.此外,在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重.电弧风洞实验结果验证了本文理论分析的正确性.     

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟（scale-adaptive simulation,SAS）和大涡模拟（large-eddy simulation,LES）的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras（SA）湍流模型和动态亚格子（subgrid-scale,SGS）模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×105的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.      

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

某组合体模型气动热数据相关性研究

为进行高超声速气动热数据相关性研究, 选取了一平板-锥组合体模型为研究对象, 开展不同缩比模型的风洞试验, 分别使用3种不同方法进行气动热试验数据的相关性研究.研究结果表明, 使用正激波后Reynolds数Re_ns和修正的黏性干扰系数V*/S_w可以将不同缩比模型不同来流条件下的Stanton数进行较好的关联, Stanton数与正激波后Reynolds数Re_ns成反比例关系, 与修正的黏性干扰系数V*/S_w成正比例关系.最后基于相关性研究结论和理论分析, 提出了一种模型表面传热现象的数学模型.      

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

湍流燃烧二阶矩模型的大涡模拟验证

对美国Sandia国家实验室测量的甲烷-空气湍流射流火焰进行了三维大涡模拟(LES),其统计的时均量以及脉动量符合实验测量值,且和RANS代数二阶矩湍流燃烧模型模拟结果大致符合。LES统计得到的化学反应率系数脉动和甲烷浓度脉动的互关联与对应的时均量梯度的乘积分布趋势相同,大小幅值的位置也相对应,与二阶矩湍流燃烧模型的封闭假设相符,验证了二阶矩代数燃烧模型的合理性。     

超声速湍流边界层中激光传输的积分法

采用Born近似的Maxwell方程组积分解形式较少应用于气动光学数值计算, 其困难在于对该方程组的离散化数值计算.而结合GCV-FFT(Generalized convolution by fast Fourier transform)方法, 在自由空间传播的Rayleigh-Sommerfeld衍射方程数值计算可以达到比较高的精度.通过对Green函数及采样系数的修正, 积分方法可以用于气动光学现象的数值模拟.通过在超声速湍流边界层中光束传输的数值计算, 可以看到一些气动光学效应, 如光束偏移破碎等, 可以用修正GCV-FFT+数值积分的方法得到良好的模拟.现有的方法可以给出更接近物理本质的定量结果.      

基于折射率梯度门限的气动光学窗口光传输研究

基于流场界面厚度（Interfacial—Fluid—Thickness,IFT）理论,建立了高折射率梯度门限模型来研究气动光学窗口光传输畸变。首先在光学窗口折射率梯度场基础上,提出高折射率梯度门限,忽略绝对值低于该门限的折射率梯度值,重构折射率场,并对其气动光学传输效应进行仿真。结果表明,当58．37％的梯度值被忽略时,得到的重构折射率场与原折射率场仿真光程差（OPD）最大相对误差不超过1．5％,验证了气动光学窗口高折射率梯度区域是产生光传输畸变的主要原因,也证实了该门限模型对气动光学窗口光传输效应进行仿真的可行性,对气动光学失真的机理、预测及校正有一定的指导意义。     

高超声速平板边界层/圆柱粗糙元非定常干扰

以高超声速表面湍流控制为应用背景,平板/粗糙元干扰流动为模型,采用大涡模拟方法研究粗糙元流场干扰作用机理.分析粗糙元外形特征对于流动稳定性影响,给出其引起的流动表面参数的变化规律.结果显示超声速边界层在粗糙元作用下产生强逆压梯度并发生分离,粗糙元高度对高位自由剪切层失稳有明显影响,低粗糙元干扰下游流动稳定性,而高粗糙元剪切层发生流向失稳,形成涡串结构;同时粗糙元干扰导致下游摩阻和热流系数较平板略低,可能应用在进气道降热和减阻中.     

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

Stability characteristic of hypersonic flow over a blunt wedge under freestream pulse wave

To investigate the stability characteristic of hypersonic flow under the action of a freestream pulse wave, a high-order finite difference method was employed to do direction numerical simulation (DNS) of hypersonic unsteady flow over an 8° half-wedge-angle blunt wedge with freestream slow acoustic wave. The evolution of disturbance wave modes in the boundary layer under a pulse wave and a continuous wave are compared, and the wall temperature effect on the hypersonic boundary layer stability for a pulse wave disturbance is discussed. Results show that, both for a pulse wave and a continuous wave in freestream, the disturbance waves inside the nose boundary layer are mainly a fundamental mode; the Fourier amplitude of pressure disturbance mode in the boundary layer for a pulse wave is far less than that for a continuous wave, and the band frequency of the former is wider than that of the latter. All disturbance modes decay rapidly along the streamwise in the nose boundary layer. In the non-nose boundary layer, the dominant mode is transferred from fundamental mode into second harmonic. The transformation of dominant mode for a pulse wave appears much earlier than that for a continuous wave. Different frequency disturbance modes present different changes along streamline in the boundary layer, and the frequency band narrows around the second harmonic mode along the streamwise. Keen competition and the transformation of energy exist among different modes in the boundary layer. Wall temperature modifies the stability characteristic of the hypersonic boundary layer, which presents little effect on the development of fundamental modes and cooling wall could accelerates the growth of the high frequency mode as well as the dominant mode transformation.     

On the outflow conditions for spectral solution of the viscous blunt-body problem

The purpose of this paper is to study and identify suitable outflow boundary conditions for the numerical simulation of viscous supersonic/hypersonic flow over blunt bodies, governed by the compressible Navier–Stokes equations, with an emphasis motivated primarily by the use of spectral methods without any filtering. The subsonic/supersonic composition of the outflow boundary requires a dual boundary treatment for well-posedness. All compatibility relations, modified to undertake the hyperbolic/parabolic behaviour of the governing equations, are used for the supersonic part of the outflow. Regarding the unknown downstream information in the subsonic region, different subsonic outflow conditions in the sense of the viscous blunt-body problem are examined. A verification procedure is conducted to make out the distinctive effect of each outflow condition on the solution. Detailed comparisons are performed to examine the accuracy and performance of the outflow conditions considered for two model geometries of different surface curvature variations. Numerical simulations indicate a noticeable influence of pressure from subsonic portion to supersonic portion of the boundary layer. It is demonstrated that two approaches for imposing subsonic outflow conditions namely (1) extrapolating all flow variables and (2) extrapolation of pressure along with using proper compatibility relations are more suitable than the others for accurate numerical simulation of viscous high-speed flows over blunt bodies using spectral collocation methods.     

超声速三维空腔流气动噪声被动控制

抑制超声速武器舱空腔流噪声是航空领域中一项重要课题。大量研究表明在空腔前缘采用主/被动控制技术可以在一定程度上抑制腔内噪声水平。利用大涡模拟(large eddy simulation, LES)技术计算分析了Mach 1.4开式矩形方腔及波形、弧形两种前后壁几何修形后空腔的流动及噪声, 探索超声速来流条件下几何修形被动控制技术对开式方腔流噪声的抑制能力。计算结果表明波形和弧形空腔对腔内噪声均具有一定的抑制作用, 且波形空腔噪声控制效果更优。分析认为空腔几何修形能够改变空腔上方剪切层及腔内大尺度涡结构的发展演化, 进而实现对腔内噪声的控制。此外, 还应用LES方法计算分析了增厚的来流边界层条件下超声速方腔流, 发现来流边界层增厚可显著降低腔内噪声水平。      

High-order non-uniform grid schemes for numerical simulation of hypersonic boundary-layer stability and transition

The direct numerical simulation of receptivity, instability and transition of hypersonic boundary layers requires high-order accurate schemes because lower-order schemes do not have an adequate accuracy level to compute the large range of time and length scales in such flow fields. The main limiting factor in the application of high-order schemes to practical boundary-layer flow problems is the numerical instability of high-order boundary closure schemes on the wall. This paper presents a family of high-order non-uniform grid finite difference schemes with stable boundary closures for the direct numerical simulation of hypersonic boundary-layer transition. By using an appropriate grid stretching, and clustering grid points near the boundary, high-order schemes with stable boundary closures can be obtained. The order of the schemes ranges from first-order at the lowest, to the global spectral collocation method at the highest. The accuracy and stability of the new high-order numerical schemes is tested by numerical simulations of the linear wave equation and two-dimensional incompressible flat plate boundary layer flows. The high-order non-uniform-grid schemes (up to the 11th-order) are subsequently applied for the simulation of the receptivity of a hypersonic boundary layer to free stream disturbances over a blunt leading edge. The steady and unsteady results show that the new high-order schemes are stable and are able to produce high accuracy for computations of the nonlinear two-dimensional Navier–Stokes equations for the wall bounded supersonic flow.     

基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩, 在风洞中, 对平板模型进行了M=5的实验, 在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中, 发展了单点POD分析方法.经验证, 使用该方法重构数据的均方根(root mean square, RMS)峰值位置可表征转捩位置, 实用性强.      

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

基于BOS的超声速流场瞬态密度场的可视化

瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效"冻结"超声速流场;相对于长曝光纹影图像,瞬态图像显示了更小时间尺度的流场密度场,且突起较多,分布不均匀.结果表明,瞬态密度场可视化技术能够揭示瞬态激波流场的密度场细节,为超声速和高超声速流场复杂流动机理的深入理解和研究提供了一种有效方法.