气动光学效应湍流脉动模型系数修正

以光学窗口的气动光学效应研究为背景,研究影响光学传输预测的流场湍流脉动量预测.选取平板、压缩拐角、凹腔流动模型,采用大涡模拟（LES）方法研究超声速湍流脉动工程预测模型的系数修正.结果表明：LES方法能够获得无激波干扰、强激波干扰及底部大分离条件下,湍流密度脉动的定量分布,并据此给出脉动工程模型的系数修正,结果已经应用于型号飞行器的光学窗口气动光学效应预测.     

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     

可压缩混合层气动光学效应研究

建立具有普适性的流场光学传输效应计算方法,针对脉动流场的光学传输计算方法可以预测空间非均匀分布的脉动流场引起的光学传输效应.以高阶紧致差分格式求解三维可压缩滤波N-S方程,对可压缩混合层流动进行空间模式的大涡数值模拟,得到流动失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程,采用时间模式的直接数值模拟进行对比验证.分析流动不同阶段对光学传输效应的影响,初步讨论流场特性与光学传输效应之间的联系,计算结果表明,在转捩区域流场引起的成像畸变最为严重.     

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.     

压缩湍流剪切层-空腔流体气动光学效应的计算机仿真

对亚音速机载光电系统由于剪切层-腔流体而导致的气动光学效应进行了数值模拟.剪切层内的压缩效应用对流马赫数0.8表示,腔体的几何形状为L/H=6.7,平均腔内温度为230 K.应用商用CFD软件对这个非稳定二维流体进行了仿真.结果表明Strehl比随着波长的增加而增大,但是模糊角却变得相对复杂.证明了波长效应并给出了优化的波长模型λ*=2πσt.     

高超声速湍流流场高折射率梯度区域气动光学畸变仿真研究

基于折射率界面厚度的描述建立了一种高折射率梯度门限的数学模型,在此梯度门限下,研究了高超声速流场中高折射率梯度区域的气动光学传输效应.提出了一种用折射率梯度的调和平均值描述高折射率梯度门限的方法.采用高超声速流场的计算流体力学结果作为分析折射率梯度和进行气动光学传输仿真的源数据,忽略绝对值低于该门限的梯度值重构折射率场,并采用变折射率介质中光线追迹算法仿真其气动光学传输畸变.不同流场状况、不同位置截面的仿真结果表明,采用本门限,重构折射率场和原折射率场的相关性达0.9以上,仿真光程差均方根的相对误差不超过±5%,验证了该高折射率梯度门限模型的有效性和适用性,同时从数值角度证实了高超声速湍流流场中高折射率梯度区域是气动光学传输畸变的主要成因.     

光学诊断专题序言

光学诊断技术主要是以激光技术、光谱技术、光电探测技术、数据图像处理技术等为基础的一种综合性测试诊断技术可以实现复杂流场温度、组分浓度、速度、流场结构等参量信息的高时空分辨精确测量而且对测量流场无扰动.近年来光学诊断技术已开始从实验室基础研究走向于各类风洞、发动机等重要设备的工程应用这对于深入研究高超声速流动和燃烧化学反应动力学过程如高焓非平衡流动、高超声速边界层转捩、超声速燃烧动力学、汽车/飞机/火箭/卫星等发动机燃烧不稳定性和污染控制等具有重要意义.     

可压缩混合层流场光学效应分析与实验研究

利用量级分析和风洞实验研究了末制导光学外冷窗口典型流动(可压缩混合层流动)气动光学效应的规律性.理论分析主要针对视线误差(boresight error, BSE)与混合层流场特征参数之间的关系进行了讨论. 研究结果表明: 在可压缩混合层中影响时均BSE的特征参数主要有 对流马赫数、雷诺数、自由流与混合层界面剪切应力、自由流速度比和密度比等因素; 采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的关系. 关键词： 气动光学效应 可压缩混合层 对流马赫数     

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

高速流场对光传输特性的影响

利用一座小型跨超声速风洞进行了高速流场光传输特性试验研究。光束在高速流场中传输时,由于流场密度变化,光波波前会发生畸变。利用风洞提供0.7,2.0和3.0等气流马赫数的流场条件,采用基于夏克-哈特曼波前传感器的光学测量系统,对光束在风洞流场中传输时的波前畸变进行了测量。试验结果表明:随着风洞流场马赫数增加,流场对光波传播的影响增大,光波波前畸变量显著提高。因此,在利用风洞进行气动光学试验研究之前,有必要消除风洞流场本身对光波传输的严重干扰。     

机载光学平台平均流场气动光学效应研究

使用选区电子衍射软件模拟机载光学平台绕流流场,根据绕流流场定量研究了气动光学平均流场效应的性质及其随激光传输角度的变化。发现平均流场气动光学效应引起的波前畸变主要是低阶像差,整体倾斜占比约92%,整体倾斜、离焦和像散三项总和占比平均值99%以上;随传输方向变化,波前像差均方根值以及波前性质有显著不同:对于不同的传输方向,光程差(OPD)均方根值(RMS)的变化范围从0.13～1.20μm,光轴偏向角的变化范围从1～12μrad。去倾斜后的波前像差引起的光束质量因子β值,对所有方向的统计平均值为1.8;校正了离焦和像散后,光束质量因子β值的平均值为1.16。光束质量因子β值随口径增加而增加,无自适应光学校正时变化规律接近线性。     

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.     

超燃火焰稳定凹腔自激振荡特性的数值研究

对超声速冷流条件下用于超燃冲压发动机的凹腔火焰稳定器的自激振荡特性进行研究.采用混合RANS/LES方法对非定常流场进行数值模拟,考虑了凹腔的长深比和后缘角度两个关键参数.混合RANS/LES方法很好的捕捉到流场非定常大尺度结构并揭示了凹腔自由剪切层的演化过程.对凹腔压力振荡历程进行幅频分析,所得到的频率和理论分析结果与文献计算结果符合的很好.结果表明,凹腔的长深比和后缘角度对凹腔自激振荡特性都有很大的影响.随着凹腔长深比的减小,振荡能量趋于集中到某些频率对应的振荡模式上.随着凹腔后缘倾角的减小,大部分频率对应的振荡很快的被削弱;相对于陡后缘凹腔,小角度后缘凹腔只有较高频率对应的振荡模式存在.     

气动光学平均流场效应时间特性研究

根据气动光学效应定义了绕流流场厚度,分析了气动光学平均流场效应的时间特性与绕流流场厚度的关系,给出特征时间的粗估公式。使用大型流体计算软件SAED模拟计算了机载光学平台绕流流场随时间的变化,计算了绕流流场厚度,研究了气动光学平均场效应随时间的变化规律。计算结果验证了粗估公式的可靠性,表明与湍流效应的特征时间相似,气动光学平均流场效应的特征时间,正比于绕流流场厚度与飞机速度的比值。在给定的计算模型中,特征时间约为5 ms量级,特征频率低于300 Hz;平均流场气动光学效应引起的光程差均方根随时间围绕平均值变化,方差与平均值之比约为8%。     

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.     

气流加热对气动光学效应的影响

以光束穿过三维高速流场为物理模型,研究了由于辐射加热气流对流场的干扰及激光束穿过流场后光束远场的分布。应用二维哈特曼波前测量系统,对高功率光束在风洞高速气流传输中的气动光学效应进行了测量。结果表明,气流未电离情况下,激光与高速气流相互作用对气流的温度、密度等参数影响很小,通过该区域流场的光束波前基本没有变化。     

有机电致发光的光学微腔效应

有机电致发光器件的Fabry-Perot光学微腔效应导致在一定波长的发射峰强度增加、宽度压窄,因而在有机彩色显示中受到人们的重视,阐述了有机电致发光的Fabry-Perot光学微腔的发展、微腔结构和微腔效应的各种表现和理论表征。     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

光学窗口外形对气动光学效应的影响

 流场求解采用3维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解,采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。采用几何光学结合物理光学方法分析平均流动和湍流对光场的影响。计算结果表明:由于窗口外形曲面的曲率不同,两种窗口外部流场存在较大区别,气流速度、密度的分布情况各不相同。曲率较大的窗口外形对气流的压缩程度较大,导致气流绕过窗口顶端中心区域时流速快,密度梯度大,因而窗口空气阻力较大,光束在该窗口流场中传输受气流影响的影响也较大。     

超声速气膜气动光学效应与Reynolds数相互关系实验研究

目前,随着相关项目研究的不断推进,如何在高Reynolds数下研究其对气动光学效应的影响成为重要命题.通过设计变Reynolds数气动光学效应实验平台,模拟的单位Reynolds数可以在7.2×106~2.2×108 m-1范围内变化.搭建的基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试系统可以达到6 ns的时间分辨率.此系统测量的平凸透镜波前结果表明:实验测量结果与理论计算结果的误差在±4%以内.通过测量9种不同Reynolds数下的超声速气膜瞬态波前数据,分析结果表明:在高Reynolds数条件下,Reynolds数对于超声速气膜气动光学效应的影响比较明显,通过对实验数据进行函数拟合发现OPD_rms∝Re0.88,与推导结果OPD_rms∝Re0.9十分接近;利用小波分析方法研究了高Reynolds数条件下气动光学效应沿流向的分布特征,发现OPD_rms的低频部分（信号的主体）先降低后升高,但是高频部分的震荡幅度先升后降.分析认为OPD_rms的低频部分主要受到流场整体结构的影响,而高频部分更多地受到涡的空间分布影响.