高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

高超声速圆锥边界层转捩实验研究

在高超声速静音风洞内, 通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS)技术、高频压力传感器和温敏漆(temperature sensitive paints, TSP)技术开展了0°攻角条件下7°直圆锥高超声速边界层转捩相关实验研究, 得到了圆锥边界层由层流发展至湍流完整过程的NPLS图像, 清晰地展示了第2模态波的"绳状"结构, 尖锥与钝锥边界层的NPLS结果表明尖锥边界层转捩中第2模态波占主导, 而钝锥边界层在转捩前出现波长约为第2模态波波长5倍(甚至更长)、特征频率不高于31 kHz的狭长涡结构; 采用功率谱密度(power spectrum density, PSD)分析、互相关和N值计算对高频脉动压力数据进行分析, 得到了边界层内扰动波的发展规律, 在尖锥和钝锥中均观察到了沿流向第2模态波幅值先增大后减小、特征频率逐渐降低, 低频成分逐渐增加, 表明边界层发展过程中第2模态率先发展达到饱和, 而后逐渐衰减, 而低频模态则逐渐发展; 通过TSP技术得到了不同单位Reynolds数下的圆锥表面温升分布, 结果表明, 随单位Reynolds数增大, 边界层转捩阵面前移.      

高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

高超声速三角翼上横流不稳定性的实验研究

本文研究了三角翼迎风面边界层中的非定常横流不稳定性.实验在马赫6低噪声风洞中进行,模型为平板构型,攻角为5°和10°.通过温敏漆技术,观察到在远离头部的区域,边界层转捩阵面光滑且平行于前缘,通过Kulite高频脉动压力传感器得到的功率谱密度曲线中有明显的f≈10 kHz的扰动波信号峰值.利用基于纳米示踪的平面激光散射技术,在平行前缘方向对此区域进行流场可视化,观察到规则的向下游卷起的涡结构,形态与数值模拟中的横流涡形态一致,且涡结构的位置不是固定的,因此该10 kHz的信号为非定常横流波信号.只有在边界层为层流时,才能够观察到明显的10 kHz左右的非定常横流波信号峰值,边界层转捩中或转捩后,脉动压力的功率谱密度曲线为低频成分占主导的宽频分布.提高单位雷诺数,同一压力测点位置得到的横流波幅值先增长至饱和而后衰减.增大攻角时,横流行波幅值增长更加迅速,在较低的雷诺数下就可以增长至饱和.另外,还利用Kulite传感器阵列测量了横流波的相速度和传播角度,文中所测状态下,相速度分布在0.24—0.32倍来流速度之间,传播角度与来流方向夹角在40°—60°之间.并且,增大攻角时,横流波的相速度变...     

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.     

基于Ludwieg管的高超声速边界层转捩实验

高超声速边界层层/湍流转捩是高超声速飞行器气动力和气动热设计中的难点和热点问题.为了降低开展高超声速边界层不稳定性与转捩实验研究的门槛,研究基于Ludwieg管原理设计并建造了一座Mach 6高超声速管风洞,重点对Ludwieg管风洞的启动和运行过程开展了数值模拟,分析了储气段弯管布局对试验段流场的影响;之后,对该高超...     

压缩拐角流动中G?rtler涡特性及热流分布实验研究

对高超声速压缩拐角流动中G?rtler涡特性及热流分布进行了实验研究.开发了温敏漆（temperature sensitive paint,TSP）系统,简要介绍了TSP技术的原理、文章所用的TSP涂料的标定曲线、辅助设备参数、实验过程数据后处理过程,采用基于离散Fourier定律的热流算法.研究在Ma=6低噪声风洞中进行,采用TSP技术,得到压缩拐角斜坡板上的热流分布图像,并对高低热流条带现象做出解释,与G?rtler涡有对应关系.通过改变拐角角度及来流参数,获得了不同拐角和单位Reynolds数条件下的热流分布图像,分析得到压缩拐角斜坡上G?rtler涡特性及热流分布在变参数条件下的变化规律.研究发现:当增加拐角角度或增大单位Reynolds数时,G?rtler涡的波长减小,且涡的起始位置更靠近拐角;随单位Reynolds数增加,斜坡上热流值整体增加,热流峰值位置前移;峰值位置后,热流缓慢减小的区域与G?rtler涡位置相对应.      

飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析

基于非结构/混合网格、耗散自适应2阶混合格式以及脱体涡模拟（detached eddy simulation,DES）方法开展了现代战斗机模型复杂分离流动的数值模拟,并与有限的平均气动力试验数据进行了对比,结果表明计算具有合理性,在此基础上进一步应用本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）和动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对数值模拟流场的非定常特性进行了对比分析.研究表明飞行器背风区流场由一对边条涡的螺旋运动主导,旋涡破裂前在横向空间截面上流场是中性稳定的,同时主涡核的运动是多频耦合的.POD和DMD的对比分析则表明:两者模态配对的方式不同,但主要模态之间具有一定相关性;POD模态中包含多种频率的运动,而且能量较集中于主模态,流场重构效率更高;DMD则将流场的主要特征运动提取为一些单频模态的组合,同时能够给出模态的稳定性.      

发光温敏漆的制备及其温度猝灭特性研究

以三氯化钌、2—2联吡啶为主要原料,甲基丙烯酸甲酯为基质,制备了钌联吡啶／聚甲基丙烯酸甲酯发光温敏漆,并对其温度猝灭特性进行了研究。扫描电镜观察发现钌联吡啶为规则的层状六边形结构;差热-热重测试表明钌联吡啶在320℃发生分解。紫外吸收光谱分析发现,温敏漆的适合激发光波长区间为410～500nm。荧光光谱测试结果表明温敏...     

风力机翼型在失速工况下非定常流场的本征正交分解分析

风力机气动性能受静态失速与动态失速影响很大,对风力机翼型的失速问题研究具有重要意义.本文通过计算流体力学方法得到的风力机翼型在固定大攻角工况,以及大攻角震荡工况下的非定常流场,来研究翼型静态失速与动态失速.采用本征正交分解方法(POD),对非定常流场降阶,得到流场的POD模态以及对应的系数.POD模态结果表明在静态失速...     

高温高压下黑云斜长片麻岩的电性研究

 在压力1 GPa、温度250~1 100 ℃、频率0.1 Hz~1 MHz的条件下,采用阻抗谱方法,对来自阴山造山带的太古代黑云斜长片麻岩进行了电导率实验研究。实验发现：（1） 所有样品的阻抗谱都是由一个大的高频半圆弧Ⅰ和一个小的被压缩了的低频弧Ⅱ组成,阻抗弧Ⅰ主要代表矿物颗粒内部传导机制,阻抗弧Ⅱ更有可能代表的是样品和电极之间的传导机制;（2） 电导率随温度的变化遵循Arrhenian定律,但在700~750 ℃间有近一个量级的跳跃,通过对比实验前后样品的显微照片和探针分析数据,认为这一电导率的大幅跳跃可能是样品中黑云母发生大量脱水熔融的缘故;（3） 在高温段750~1 100 ℃,部分熔融样品的电导率主要由钠离子传导控制;（4） 在低温段250~700 ℃,样品的激活能为0.53 eV;在高温段750~1 100 ℃,样品的激活能为1.41 eV。激活能的改变可能与样品的结构变化有关,还与样品和熔体中钠的含量以及扩散有关。     

飞行器大攻角非定常气动特性神经网络建模

大攻角气动特性预测与气动建模是新型飞行器提升飞行性能的重要内容.以轴对称导弹简化模型为研究对象，首先采用计算流体力学方法，对70°大攻角状态的非定常气动特性进行数值模拟，计算方法基于RANS的N-S方程，湍流模型采用SA模型，对流场采用有限体积法离散，无黏项采用Roe通量差分分裂格式，黏性项采用中心差分，时间推进采用LU-SGS格式的双时间步法.飞行器运动模式采用强迫振荡的方式，对5种不同振荡频率进行了非定常数值计算，并记录每一内迭代周期最终的气动力和力矩数值.其次，以CFD预测结果作为气动建模的样本，采用动导数模型、多项式模型等传统方法，进行气动建模，并分析其有效性和精度.最后采用神经网络方法对大攻角非定常气动力进行建模，并和动导数模型、多项式模型进行精度对比.结果表明，基于神经网络的人工智能气动建模方法具有较高的精度和适应性.该方法为飞行器大攻角非定常非线性气动建模，大攻角飞行稳定性分析与控制提供理论参考.      

基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1,高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。     

基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。乙炔(C₂H₂)是一种化学性质活泼的有毒气体,对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、环境监测等领域有着重要的意义,基于此,采用QEPAS技术对C₂H₂微量气体展开高灵敏度检测研究。采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。为了提高QEPAS系统信号幅值,相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉,采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器,同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,并添加了声波微共振腔,选择的微共振腔长度为4 mm、内径为0.5 mm,最终获得了2.7 ppm的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。     

高速流绕平板边界层特性研究

本项高超声速流绕平板的边界层特性实验研究在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的炮风洞中完成.为了研究分离流动特性, 选择了一项实验研究, 通过实验分别提供绕模型的附着流动与分离流动实验结果.其中第1个模型为顺流平板, 第2个模型为平板上安装突起物, 它们分别对应附着流与分离流动.文章专题研究平板绕流, 为附着流, 它是分离流动的基础.      

高温高压下二辉橄榄岩的阻抗谱实验研究

 在1.0～4.0 GPa压力、1 073～1 573 K温度和10^-1～10⁷ Hz频率条件下,利用SARLTON-1260阻抗-增益/相位分析仪,就位测定了二辉橄榄岩的阻抗谱。实验结果表明：二辉橄榄岩的阻抗谱对频率具有很强的依赖性,并从阻抗谱的测试原理（颗粒内部、颗粒边缘、样品与电极间的导电机制）上做出了解释;温度是决定二辉橄榄岩电导率的一个重要物理参数,电导率随着温度的升高而增大,lg σ与1/T之间符合Arrenhius关系式;在高压实验中第一次将压力作为测量二辉橄榄岩电导率重要的约束因素,随着压力的增大,电阻率升高、电导率降低。