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.     

强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,粒子将经历由多道激波导致的速度、压力、黏性等剧烈变化.本文结合目前(高)超声速飞行器的研究热潮,重点关注示踪粒子在应用于发动机内部具有连续激波的复杂流场测量中存在的跟随性评估方面,开展了一系列的相关试验研究.包括测量超声速风洞的喷管出口速度分布以验证测试系统的性能,在马赫4.2和3.0流场中测量了粒子对二维10°和15°单斜劈绕流中的斜激波动力响应,并测量了模拟发动机内部连续梯度的双斜劈粒子斜激波动力响应.结合粒子动力学的理论模型,得到了各状态的粒子弛豫时间、弛豫距离、Stokes数.基于图像方法、统计学规律分析了激波非定常抖动对测量结果的影响,并对测量结果进行了修正.结果显示,相同斜劈角度下,马赫数越高,粒子的弛豫时间、弛豫距离就越大.但是在相同的来流马赫数下,斜劈角度越大,粒子的弛豫时间、弛豫距离反而减小.在强梯度之后由于流场的雷诺数和黏性系数变化剧烈,粒子的跟随性降低了大约5.7%,stokes数增加了约1%.虽然在本文条件下Stokes数仍满足超声速流场对粒子跟随性的要求,但粒子响应的降低无疑是值得关注的,尤其是当其被应用于具有更多连续梯度的复杂流场测量中.     

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.     

激波与层流/湍流边界层相互作用实验研究

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场;综合运用NPLS结果和PIV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性,实验结果表明:层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状,而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆;在入射激波上游距入射点较远的位置,层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系,进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波,而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波;在入射激波下游,层流边界层内的膨胀区域较小且急促,膨胀后产生的再附激波很弱,而湍流边界层内的膨胀区域较大,膨胀后产生的激波较强。