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     

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.     

不同对流马赫数下光束畸变的实验研究

利用双曝光CCD相机成像技术,研究了小直径光束穿越可压缩混合层流场后所引起的气动光学效应.实验研究结果表明:在不同对流马赫数(Mc=0.17,0.45)下,光束投影(点扩散函数,PSF)发生了不同程度的变形和偏移.此外在不同对流马赫数下细光束投影都存在扩束、缩束和面积几乎不变的现象,但光束投影出现扩、缩束的概率不同.     

可压缩平面混合层稳定性数值计算

通过高阶差分求解三维可压缩稳定性方程，数值研究了时间发展可压缩平面混合层的稳定性特征。以对流马赫数为压缩性参数，以Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数为粘性参数分析了二者对计算流场稳定性的影响。比较了二维和三维，无粘和粘性扰动波等情况。部分计算同相关文献进行了对比，取得了一致的结果。     

脉冲激励下超音速混合层涡结构的演化机理

采用大涡模拟方法对脉冲激励作用下的超音速混合层流场进行数值模拟,所得结果清晰展示了流场中涡结构的独特生长机理.基于涡核位置提取方法,对超音速混合层流场中涡结构的空间尺寸和瞬时对流速度等动态特性进行了定量计算.通过分析流场中涡结构的动态特性在不同频率脉冲激励下的变化,揭示出受脉冲激励超音速混合层流场中涡结构的演化机理:涡结构的生长不再是依靠相邻涡-涡结构之间的配对与融合,而是通过涡核外围的一串小涡旋结构被依次吸进涡核来实现,且受激励流场中各个涡结构的空间尺寸变化较小;流场中的涡结构数量与脉冲频率成正比例关系,而涡结构的空间尺寸与脉冲频率成反比例关系;涡结构的平均对流速度随脉冲频率的增大而减小.针对受脉冲激励超音速混合层,给出了能够表征涡结构特性与脉冲激励参数之间关系的方程式,即受激励流场中涡结构的平均对流速度与脉冲周期的乘积近似等于流场中涡结构的空间尺寸(涡结构平均直径).     

超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验

研究发展了超高频基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering,NPLS）技术。基于多腔并联脉冲激光器技术、棱锥分光与短曝光相机集成技术以及高精度同步控制技术,实现了MHz级流场可视化和精细测量。采用超高频NPLS技术研究了对流Mach数Ma_c=0.17,0.26混合层流场,获得了时间序列的混合层高分辨率NPLS图像。采用阵列型涡流发生器开展流动控制研究,分析涡流发生器对混合层发展的影响特性。通过选取典型涡结构,分析了超声速混合层不同发展阶段的涡运动和发展演化规律。发现混合层中段的不稳定性发展阶段,涡结构以平移和旋转为主,伴随一定的拉伸;混合层后段以变形和破碎为主,有大量小尺度结构产生。并且小尺度结构会受到剪切、大尺度结构以及小激波的影响,发生明显的非定常运动。      

带喷流超声速后台阶流场精细结构及其运动特性研究

采用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)对带超声速喷流的后台阶流动精细结构进行了研究. 来流马赫数为3.4, 喷流实测马赫数为2.45, 而名义马赫数为2.5. 结果清晰地揭示了激波、剪切层、混合层、Kelvin-Helmholtz涡、羊角涡及湍流大尺度结构等大量典型流场结构. 基于大量流场精细结构图像, 对典型位置处的结构进行了空间两点相关性分析, 在喷流混合层前端涡结构小于湍流充分发展的尾端, 结构角相对也小. 喷流工作时, 模型台阶下游表面由一薄层气膜覆盖. 获得了模型流向和不同高度展向平面内的流场结构, 对照纹影试验结果, 分析了流动特点及时间演化规律. 采用微型压力扫描系统测试了模型表面的压力系数分布, 靠近喷流下游处压力系数区域0.0146. 针对NPLS图像做了流动的分形维数的分析, 发现在流动初始阶段分形维数接近于1, 越靠下游分形维数越高.     

可压缩喷流的温度混合层及近场压力POD分析

本文采用大涡模拟计算马赫数Ma=0.75、温度比Tj/T∞=0.7、1和2的圆口喷流,着重研究了温度混合层与速度混合层发展规律的差异.同时采用近场压力的本征正交分解,研究温度对相干结构产生的影响,突出当喷流温度高于和低于环境温度时的声源的变化趋势.流场结果表明,温度混合层的增长速率高于速度混合层,且两种剪切层半值宽随温度比改变而呈现不同的变化趋势.声场结果显示非等温喷流的远声场均高于等温喷流,是由于压力脉动中声传播分量增强.随着温度比升高,相干结构不稳定性开始发生位置向上游移动,导致速度脉动水平的提前增长.湍流结构相干性的增强,使得速度脉动峰值水平升高.     

红外导引头高速流场及其对光线传输影响的数值模拟

研究红外光线经过高速流场时由于折射产生的瞄视误差(BSE),对于红外末制导拦截弹的命中精度有重要意义。考虑高温真实气体效应,求解热化学非平衡Navier-Stokes(N-S)方程得到导引头的流场,采用光线追迹的方法,对红外光线经过流场后到达导引头光学窗口的瞄视误差进行了计算分析,研究了光线入射角、飞行马赫数、攻角、高度及红外导引头外形对瞄视误差的影响。     

具体热源的湍流对流中热量传递势容耗散的界

本文从数学上确定了具体热源的湍流对流中时均热量传递势容耗散的上界和下界,该上界和下界反映了体热源对湍流对流中热量传递势容耗散的影响.其上界表明具体热源的湍流对流中时均热最传递势容耗散不会大于导热情况下时均热量传递势容耗散;其下界表明,给定湍流流场的统计特性,即在某种意义上,粘性耗散一定,这时时均热量传递势容耗散可能达到的下界依赖于体热源和速度的时均值.     

有厚度平板尾缘可压缩剪切层中的涡结构数值模拟

采用一个新型Fu Ma高精度UCD5 SCD6紧致差分算法,通过直接求解二维Navier Stokes方程,成功实现了有厚度平板尾缘可压缩剪切层中涡结构的数值模拟,并考查了平板厚度对其的影响.计算对流马赫数M_c=0.3,平板厚度分别为1,2,3,4个参考长度.结果表明,增加平板厚度可促使平板尾缘可压缩剪切层中的涡提前卷起,有利于两股气流混合.     

带超声速气膜高超声速光学头罩气动光学效应抑制实验

高超声速（Ma_∞=6.0）炮风洞中带超声速（Ma_c=3.0）喷流光学头罩受到周围绕流影响出现气动光学畸变.利用基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试方法测量了光学波前畸变.研究结果表明:瞄视误差（bore sight error,BSE）与喷流压比（pressure ratio of jet,PRJ）之间近似呈正相关.在有喷流的情况下,压力匹配时瞄视误差相对比较小,并且喷流压比对气动光学高阶畸变的影响不显著.微型涡流发生器（micro vortex gene-rator,MVG）对瞄视误差影响不明显,但是对气动光学高阶畸变的影响较为显著.基于波前互相关结果,施加微型涡流发生器之后,波前结构尺寸从0.2A_D减小为0.1A_D.结构尺寸的减小较为有效地抑制了气动光学高阶畸变并且提高了波前的稳定性.      

A turbulence characteristic length scale for compressible flows

The current RANS models are generally established and calibrated under incompressible condition and these kinds of models could succeed in predicting many features of incompressible flows. However, these models extended to the high-speed, compressible flows are always less accurate. In the paper, a compressible von Kármán length scale is proposed for compressible flows considering the variable densities. It contains no empirical coefficients and is based on phenomenological theory. In the turbulent kinetic equation, the extra unclosed terms induced by non-constant densities are treated as dissipation terms and the equation is closed algebraically via the introduction of the von Kármán length scale. The original and the proposed von Kármán length scale lead to two different kinds of SAS (scale adaption simulation) models, KDO (turbulence kinetic energy dependent only) and CKDO (compressible KDO), respectively. Compressible mixing layer with significant compressibility is studied within standard k–?, k–ω, KDO turbulence models and their compressible versions. The compressibility effects such as the reduced mixing layer thickness, growth rate and turbulence intensity can be reproduced by CKDO. The new length scale can improve the performances of the model in predicting the mixing layer thickness, stream-wise velocity and Reynolds shear stresses when the convective Mach number is 0.8. Besides, the new length scale also leads to accurate computed growth rate when the convective Mach number ranges from 0.1 to 1.0.     

高速流动PIV示踪粒子跟随性分析

通过理论推导提出了一种评价高速流动PIV示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型,在法向Mach数大于1.4时具有良好的适用性.将新模型应用于试验测量,发展了高速流动PIV系统和示踪粒子布撒技术,验证了高速流动PIV的定量化测量能力.针对空间发展的二维超声速气固两相混合层,数值模拟了不同Stokes数和对流Mach数（M_c）下的粒子跟随性以及弥散和迁徙运动,结果表明:相同对流Mach数,粒径越小的示踪粒子跟随性越好,Stokes数在[1, 10]范围内的粒子有最大扩散距离.示踪粒子的直径大小决定其在超声速混合层大涡拟序结构中的分布特征,且粒径越小,气体与粒子的掺混越剧烈.相同粒径的粒子,对流Mach数越大跟随性越差.      

二维可压缩流体Kelvin-Helmholtz不稳定性

利用高精度数值格式,研究了二维可压缩流体中的Kelvin-Helmholtz不稳定性,主要研究了可压缩性对Kelvin-Helmholtz稳定性增长率的影响.模拟定量的给出低Mach和高Mach数两种情况下,初始静压和对流Mach数以及Kelvin-Helmholtz不稳定性线性增长率的关系.模拟结果和自由剪切层以及混合层的实验结果以及理论分析一致.模拟表明,对流Mach数是描述流体可压缩性的合适参数,对流Mach数越小流体越不可压,Kelvin-Helmholtz不稳定性的线性增长率随对流Mach数的增加而减小. 关键词： Kelvin-Helmholtz不稳定性 可压缩流体 Mach数 超音速流体     

基于Ramp-VG阵列的超声速混合层流动控制实验研究

利用基于纳米示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术研究了Ramp-VG阵列对超声速混合层流场的控制效果.对流Mach数Mac=0.17.通过比较无控和控制状态下的混合层NPLS图像,发现控制状态下混合层流动速度提高了5％～15％,K-H不稳...