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     

基于NPLS的超声速后台阶流场精细结构及其非定常特性

在马赫数3.4的低噪声超声速风洞中,分别采用纹影技术及基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS),对台阶高度为3 mm的层流后台阶绕流结构进行了流动显示实验,旨在研究后台阶流场再附区的平均流动规律及再附边界层的瞬态流场精细结构,并通过比较不同时刻的NPLS数据,发现后台阶再附边界层涡结构的非定常演化特性;并且与马赫数4.2条件下的纹影结果和前期研究成果进行了比较.结果表明,两种流动显示方法均可以捕捉激波膨胀波的位置,但NPLS技术在揭示流场某一截面内的瞬态精细结构方面更具优势,其时间分辨率可达6 ns,空间分辨率微米量级;该流场条件下的回流剪切层的倾角为-3.1?,再附边界层的平均增长斜率为0.07519;再附边界层中发卡涡脱落的特征时间尺度为大约10μs.相同膨胀比条件下,再附随着马赫数增大而推迟;膨胀比越大,再附越提前,并且流动折转角变大.     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

基于流动显示的压缩拐角流动结构定量研究

在Ma = 3.0的超声速风洞中, 采用NPLS技术对上游边界层为层流的25° 压缩拐角进行了流动显示实验, 获得了压缩拐角的精细流动结构, 边界层、剪切层和激波等结构清晰可见. 基于流动显示数据, 采用间歇性、空间相关性和分形分析对流动结构进行了定量研究, 计算了边界层和分离区的间歇因子分布, 获取了边界层中拟序结构和结构角的大小, 给出了边界层分形维数的分布, 并与Ringuette和Bookey等的实验结果进行比较, 阐述了压缩拐角流动结构的定量特征.     

高超声速平板边界层流动显示的试验研究

本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.     

转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响

为研究转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响,文章选取了二维与三维高超声速双斜面进气道模型与大钝头着陆器模型,并使用γ-Re_θ转捩模型开展数值模拟研究.研究表明,对于二维进气道模型,随着前缘钝度的增加,激波边界层干扰位置前移,分离区变大,与层流流动情况相比,有转捩流动发生时,激波边界层干扰位置后移,同时分离流动强度变弱,分离区缩小;对于三维进气道模型,其拐角附近的分离流动呈现明显的三维特征,转捩流动也存在三维流动结构,与静风洞状态相比,噪音风洞状态下,有转捩流动发生,对壁面热流影响较大,对激波系影响很小.对于着陆器模型,底部流动发生转捩,使得底部流动由不稳定非定常的流动结构变为稳定定常的流动结构,这有益于姿态控制设计.      

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明:扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点（virtual conical origin,VCO）的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。      

超声速平板圆台突起物绕流实验和数值模拟研究

高速飞行器表面不可避免的存在突起物并形成复杂流场, 从而引起飞行器气动特性和热载荷的变化; 同时, 突起物是流动控制的重要方法之一, 合适的突起物形状及安装位置对于改善冲压发动机进气道性能有重要意义. 本文采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)研究了马赫3.0来流边界层为层流的平板上三个不同高度圆台突起物绕流流场, 主要关注了突起物后方的尾迹边界层, 并采用高精度的显式五阶精度加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)离散求解Navier-Stokes方程模拟了该流场. 获得了超声速圆台绕流精细流场结构, 观察到突起物后方尾迹区域边界层发展的过程. 结合实验和数值模拟结果可以发现, 当圆台高度接近或者小于当地边界层厚度时, 突起物对边界层的扰动非常弱, 圆台后方尾迹边界层能够维持较长距离的层流状态, 在边界层转捩阶段也有清晰的发卡涡结构出现; 反之, 边界层受到的扰动明显增大, 在突起物后方很快发展为湍流; 风洞噪声对本文研究圆台引起的边界层扰动有一定影响, 实验获得的边界层转捩位置要比数值结果靠前. 基于NPLS流场图像, 采用间歇性方法分析了圆台突起物后方边界层的特性, 对于高度大于边界层厚度的圆台其间歇性曲线较为接近并且更加饱满, 边界层的脉动也更为强烈.     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

Instantaneous and time-averaged flow structures around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling visualized via nano-tracer planar laser scattering

In a Mach 3.8 wind tunnel, both instantaneous and time-averaged flow structures of different scales around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling were visualized via nano-tracer planar laser scattering (NPLS), which has a high spatiotemporal resolution. Three experimental cases with different injection mass flux rates were carried out. Many typical flow structures were clearly shown, such as shock waves, expansion fans, shear layers, mixing layers, and turbulent boundary layers. The analysis of two NPLS images with an interval of 5 μs revealed the temporal evolution characteristics of flow structures. With matched pressures, the laminar length of the mixing layer was longer than that in the case with a larger mass flux rate, but the full covered region was shorter. Structures like K-H (Kelvin-Helmholtz) vortices were clearly seen in both flows. Without injection, the flow was similar to the supersonic flow over a backward-facing step, and the structures were relatively simpler, and there was a longer laminar region. Large scale structures such as hairpin vortices were visualized. In addition, the results were compared in part with the schlieren images captured by others under similar conditions.     

Flow control of micro-ramps on supersonic forward-facing step flow

The effects of the micro-ramps on supersonic turbulent flow over a forward-facing step(FFS) was experimentally investigated in a supersonic low-noise wind tunnel at Mach number 3 using nano-tracer planar laser scattering(NPLS)and particle image velocimetry(PIV) techniques. High spatiotemporal resolution images and velocity fields of supersonic flow over the testing model were captured. The fine structures and their spatial evolutionary characteristics without and with the micro-ramps were revealed and compared. The large-scale structures generated by the micro-ramps can survive the downstream FFS flowfield. The micro-ramps control on the flow separation and the separation shock unsteadiness was investigated by PIV results. With the micro-ramps, the reduction in the range of the reversal flow zone in streamwise direction is 50% and the turbulence intensity is also reduced. Moreover, the reduction in the average separated region and in separation shock unsteadiness are 47% and 26%, respectively. The results indicate that the micro-ramps are effective in reducing the flow separation and the separation shock unsteadiness.     

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.     

Imaging of supersonic flow over a double elliptic surface

The coherent structures of flow over a double elliptic surface are experimentally investigated in a supersonic lownoise wind tunnel at Mach number 3 using nano-tracer planar laser scattering(NPLS)and particle image velocimetry(PIV)techniques.High spatiotemporal resolution images and velocity fields of both laminar and turbulent inflows over the test model are captured.Based on the time-correlation images,the spatial and temporal evolutionary characteristics of the coherent structures are investigated.The flow structures in the NPLS images are in good agreement with the velocity fluctuation fields by PIV.From statistically significant ensembles,spatial correlation analysis of both cases is performed to quantify the mean size and the orientation of coherent structures.The results indicate that the mean structure is elliptical in shape and the structural angles in the separated region of laminar inflow are slightly smaller than that of turbulent inflow.Moreover,the structural angles of both cases increase with their distance away from the wall.     

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型, 对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响, 总结了参数变化引起的流动分离变化规律; 此外, 还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形, 并将三维结果与二维情形进行对比, 对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。      

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     

Study of density field measurement based on NPLS technique in supersonic flow

Due to the influence of shock wave and turbulence, supersonic density field exhibits strongly inhomogeneous and unsteady characteristics. Applying traditional density field measurement techniques to supersonic flows yields three problems: low spatiotemporal resolution, limitation of measuring 3D density field, and low signal to noise ratio (SNR). A new method based on Nano-based Planar Laser Scattering (NPLS) technique is proposed in this paper to measure supersonic density field. This method measures planar transient density field in 3D supersonic flow by calibrating the relationship between density and concentration of tracer particles, which would display the density fluctuation due to the influence of shock waves and vortexes. The application of this new method to density field measurement of supersonic optical bow cap is introduced in this paper, and the results reveal shock wave, turbulent boundary layer in the flow with the spatial resolution of 93.2 μm/pixel. By analyzing the results at interval of 5 μs, temporal evolution of density field can be observed. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10672178)