激光片光流动显示技术在高机动飞机布局设计中的应用

采用激光片光流动显示技术,针对某高机动布局飞机开展大迎角流动机理研究.结果表明激光片光流动显示技术具备捕捉复杂流动结构的能力,可以清晰观察双前翼布局大迎角下机头涡、第一前翼涡、第二前翼涡以及机翼涡等涡结构的生成、发展、融合等复杂流动结构的演化,并且揭示出涡结构扫略垂尾内侧使布局航向更加安定,偏转前翼将使旋涡绕流的涡心降低,造成布局升力提高,低头力矩增加.片光流动显示结果进一步表明,布局航向安定性不足,垂尾需要沿展向外移动,为布局深化设计提供了设计依据.     

纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.      

高超声速流场激光测速技术研究进展

高超声速气流条件下飞行器内/外部流动中存在强湍流及脉动、边界层转捩、激波-边界层干扰和高温真实气体效应等耦合效应,表征该非定常流动现象对飞行器气动力、气动热以及目标光电特性等产生的影响是高超声速流动研究中的前沿课题.速度作为表征流动过程最重要的参数之一,准确的速度测量对于深入理解上述复杂流动-传输机理以及高超声速飞行器设计具有重要指导意义.文章针对高超声速流场速度测量中几种常用的非接触式激光测试技术进行了综述,主要包括基于空间法的粒子图像测速,基于激光吸收光谱、激光诱导荧光和瑞利散射的多普勒测速,基于飞行时间法的分子标记测速,以及基于流场折射率的聚焦激光差分干涉测速技术.首先简要介绍每种激光测速技术的基本原理,然后进一步介绍该技术在高超声速自由流、层/湍流边界层、激波/边界层干扰、尾流或其他复杂流动区域的速度及其脉动度测量等方面的典型应用,分析各种技术环境适用性及面临的局限性和挑战.最后对基于激光技术的高超声速流场速度测量进行了总结及发展趋势展望.     

旋转浅水系统Rossby孤立涡旋的实验研究

我们建立了具有自由表面的旋转抛物面浅水系统，进行空间流体图样演化的实验研究。利用流动显示和激光散射技术获得相干涡旋的信息。实验结果表明，在纬带区内存在强剪切可能导致形成持续存在的相干涡旋链。在旋转随动坐标系中拍摄的照片以及自相关分析证明，确有大尺度的Ｒｏｓｓｂｙ孤立涡旋的发生、漂移和演化。     

充分发展圆管湍流的实验研究

采用粒子数字图像测速（digital particle image velocimetry,DPIV)和定量流动显示技术（quantitative flow visualization,QFA)对充分发展的圆管湍流进行了研究。测量结果和直接数值模拟（direct numerical simulation,DNS)结果进行了比较，结果表明作者开发的DPIV技术取得了满意的精度。在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究，分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布，测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构。     

充分发展圆管湍JJL的实验研究

采用粒子数字图像测速(digital particle image velocimetry,DPIV)和定量流动显示技术(quantitative flow visualization,QFV)对充分发展的圆管湍流进行了研究.测量结果和直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)结果进行了比较,结果表明作者开发的DPIV技术取得了满意的精度.在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究,分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布,测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构.     

近十年来流动测量技术的新发展

流动是一种跨行业、跨部门、跨学科的现象。现代空气动力学、流体力学、热力学、水力学以及航空航天工程、水利水电工程、热能工程、流体机械工程都提出了一系列复杂流动问题，其中包括高速流、低速流、管道流、燃烧流、冲击流、振荡流、涡流、湍流、旋转流、多相流等等。这些流动都需要人们提供新的测量方法和新的量测仪器、使之能够适应单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相方向发展，这就促使人们不断利用新技术，发展新原理，采用新结构和新工艺，以改善食品性能，增强讯号处理能力，提高仪器的测量精度。同时简化操作技术，使之便于推广应用。近10年来，伴随着光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处理技术，图形、图像处理技术以及计算机技术的日益成熟和完善，流速测量技术也随之得到了新的发展。本文就这些发展作一扼要介绍。     

研究快速现象的高速干涉摄影系统

我们研制了一种用于诊断TEACO_2脉冲激光与物质相互作用,以及其它流场中快速现象的高速干涉摄影系统;解决了这一技术中的时间同步、高速摄影机与激光平晶错位干涉仪的光学匹配;提出了逆程序运转方案,将连续输出的He-Ne激光改成了时间可控的脉冲光源;用这一技术拍出了一系列相互作用过程的微秒级高速干涉照片,以及超音速风洞中流场照片。这种技术也能广泛用于其它快速现象及流场显示领域中。     

实验研究湍流附面层分离

本文应用二维激光多普勒测速技术和压强探针测量了二元非对称曲面扩张通道内的湍流附面层分离,得到了时均速度、流动平均方向角、正反向间歇流动因子以及静压分布.实验结果表明:附面层沿高度方向存在着明显的压强差,并可用位移厚度曲率做二阶近似修正.分离附面层的位移厚度曲率极大值对应于间歇瞬时分离点.瞬时流动平均方向角与正反向间歇流动因子成线性变化.     

微机控制实现检测数据的彩色图象显示

计算机控制实现探测数据的彩色图象显示是一种新型的显示技术。在如压力、温度、速度等大面积物理参数的自动探测与彩图显示方面都有广泛应用。做为这种技术的一个应用实例,本文介绍了黑白图象伪彩色编码的实验工作,对实验所采用的方法、设备的特点以及在流动显示等其它方面的应用进行了讨论。     

Three-dimensional flow analysis by means of sequential and volumic laser sheet illumination

Flow visualizations in three dimensions by means of plane light sheets are now frequently used, particularly in wind-tunnels. In this paper, we propose a further improvement to this technique using a moving laser light sheet; this method allows the global 3-D visualization and simultaneous display of several cross-sections of an air flow.     

一种扑翼运动的模型实验及流场测量方法

俯旋、下拍、仰旋、上挥是一般昆虫运动的四个典型运动过程 ,本文通过研制三维和二维扑翼流场模拟装置以及相应的运动控制系统 ,实现了对昆虫扑翼飞行的上述过程的模拟。在测量方面 ,流场信息主要是通过自研制的 2D -DPIV(二维粒子速度成像仪 )来获得。该系统装备了高分辨率的高速CCD摄像机能够较为精细地动态量化流场 ,3维和 2维流场的动态流动显示以及量化测量都是通过它来实现。初步实验结果表明 ,模拟装置能成功地刻画昆虫翼的典型运动特征 ,2D -DPIV系统也能捕捉和反映强非定常特性的流场。本文还显示了实验中发现的一些有趣的现象 ,这些现象将作为我们进一步研究的重点     

激波风洞内超燃冲压发动机三面压缩进气道流场实验观测

主要进行了超燃冲压发动机三面压缩进气道的实验观测。利用来流马赫数4.5的直通式激波风洞,考察了三组具有不同压缩角度的进气道模型内部的流场情况。实验观测手段为油流法、丝线法和高速纹影,同时,辅以数值模拟以有助于流场细节分析。纹影照片展示了进气道内部以激波边界层相互作用为主要影响因素的流场复杂结构,数值模拟也显示了相近的结果。油流技术与丝线法显示了近壁面处的流动图像,照片中可见激波、分离线、再附线等分界线位置。根据实验结果,可以推测唇口激波与进气道内边界层的相互作用及其引起的壁面分离是影响进气道内流动的主要因素。同时,尝试了利用抽吸方法减弱激波与边界层相互作用诱发的壁面流动分离,并取得一定结果。     

Planar laser induced fluorescence technique for measurements of concentration fields in continuous stirred tank reactors

 A new non-intrusive method based on laser sheet visualization and image processing has been developed to measure the instantaneous concentration fields of a non-reacting fluorescent dye in a continuous stirred tank reactor. The method consists of measuring the fluorescence intensity of a tracer excited by a thin planar laser sheet and in transforming it into an instantaneous concentration field of tracer by a calibration procedure. This allows the characterization of mixing in a plane defined as the cross section of the flow by the laser sheet. Flow visualization images have been recorded on video tape and subsequently digitized. The relationship between the intensity of the fluorescent light and the grey level of the images has been established. The first result is the instantaneous field of dye concentration. A contacting parameter between the fluids coming from the two inlet sources, and emphasizing the average state of the mixing, has been defined and its field has been determined. The field of temporal variance, which characterizes the segregation of the investigated zone, has also been computed. Received: 15 December 1995/Accepted: 28 April 1996     

Point-to-plane corona discharge for high-speed reacting flow visualization

We present the results of a novel technique for the high-speed visualization of a flame reaction zone using a streamer-initiated point-to-plane unipolar pulsed corona discharge. Our results show images of the flame front under conditions of natural hydrodynamic flame instability, as well as external air flow modulation induced flame instability. This technique can potentially be used as a high-speed 2-D flow visualization diagnostic tool to monitor flow instabilities in reacting and non-reacting fluids that have a density gradient. We also show that this technique does not modify the flame characteristics in any measurable way, if the high electric field region of the streamer/corona discharge is located in the downstream region.     

粒子图像测速技术研究进展

粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法,在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值.本文对PIV技术的原理、分类作了简要地介绍,详细归纳和评述了现有的各种速度信息的提取方法,并对拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类等新技术在PIV中的应用以及三维PIV技术、两相流PIV测试技术进行了介绍.指出当前PIV技术除了向三维和多相流方向发展外,如何提高PIV的测量精度以及缩短计算时间仍然是目前研究的主要目标.PIV技术随着计算机技术、激光技术和CCD性能的发展,必将取得更大的发展与突破      

采用自适应直角网格计算三维增升装置绕流

针对三维增升装置绕流，对存在剪刀叉的不连续外形，基于自适应直角网格，提出并介绍了分区和面搭接技术，采用变长宽比网格，进行了直角网格生成和流场Euler方程数值计算. 根据几何外形的特点，在直角网格生成过程中，以外形不连续面作为分区边界，对初始``根'网格实施分区处理，降低了整个网格的生成难度. 通过基于外形的自适应网格加密，详细描述了剪刀叉外形和缝道，提高了网格质量. 在分区边界面上，基于面搭接技术，构造重叠面积切割算法，实现边界两侧网格间的流场信息传递，保证流场计算中的通量守恒. 采用中心有限体积方法，结合双时间推进算法，完成了两段机翼、带增升襟翼翼身组合体绕流流场的Euler方程数值模拟，对计算结果与实验数据进行了对比，验证了所提方法、算法的合理性和实用性.     

Direct Numerical Simulation of a Recirculating, Swirling Flow

A direct numerical simulation (DNS) of a recirculating, swirling flow is performed at a Reynolds number of 5000. Detailed one and two point statistics are presented in this paper. Flow visualization and frequency analysis are used to identify a precessing vortex core and to characterize its position, extent and influence on the flow field. The results are compared with laser Doppler velocimetry (LDV) measurements as well as large eddy simulation (LES) data reported in the literature. The present work constitutes a first step in setting up a DNS data base for complex flows.     

Visualization of the pressure fields of gas streams by the method of holographic interferometry

The pressure field is determined from the deformation of an assembly of membranes uniformly distributed over the walls confining the stream. The deformations are recorded by the method of two-exposure holographic interferometry. The possibilities of the method are illustrated on the examples of flow over a Zhukovskii profile and flow in a nozzle. Direct visualization of the isobars in the field of flow is accomplished.     

Flow visualization and LDV measurement of fully developed laminar flow in helically coiled tubes

Secondary flow structure in helically coiled tubes is characterized by laser light-sheet flow visualization photographs and laser Doppler velocimetry measured velocity vector field. The torsion-to-curvature ratio and Reynolds number, based on the tube diameter and bulk average axial velocity, were varied from 0.06 to 5.55 and from 35 to 330, respectively, to study their effects on the secondary flow patterns. Good agreement was found between the results obtained in the present work and those predicted previously. That the dominance of the torsion effect on the secondary flow is not limited to low Reynolds numbers as reported previously is pointed out. Moreover, the transformation of two recirculating cells into one cell is documented in detail.