基于激光阵列辅助的波面立体视觉测量

在激光阵列辅助下,基于立体成像计算机视觉建立了一套非接触多点波高测量系统(NIFSM),根据自适应均值方法改进了激光光斑筛选匹配算法.根据圆柱绕射波面仿真结果制作了3D打印模型,对模型测量结果的对比表明所发展的测量系统和算法可行有效并具有较高的精度.针对实际问题,在波浪水槽中测量了规则波圆柱绕射波面,将圆柱周围多点测量值与电容式浪高仪测量结果对比,波高和周期均吻合良好,最大相对误差小于5%,实验结果表明NIFSM在实验室环境中能够准确有效测量一定区域范围内多点的波面时间序列,并可重构瞬时波面,可作为一种具有广泛用途的非接触式多点波面测量技术.     

孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验.首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形,该系统的有效测量水平范围为1.7 m×1.6 m.用4个三分力测力传感器组成水下测力系统,在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩.针对波浪不破碎的情况,选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件,平板淹没深度为0.1 m.实验结果表明,孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形,导致孤立波波幅的时空变化.波幅在平板尾缘中心线处达到最大值,并沿展向逐渐减小.利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证,表明建立的三维波面测量方法是有效的.孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段,并与利用波面三维重构得到的波面测量结果一并讨论.基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态.建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.     

孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验. 首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形, 该系统的有效测量水平范围为1.7 m$\times $1.6 m. 用4个三分力测力传感器组成水下测力系统, 在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩. 针对波浪不破碎的情况, 选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件, 平板淹没深度为0.1 m. 实验结果表明, 孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形, 导致孤立波波幅的时空变化. 波幅在平板尾缘中心线处达到最大值, 并沿展向逐渐减小. 利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证, 表明建立标识码波面测量方法是有效的. 孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段, 并与利用波面三维重构得到的波面测量标识码并讨论. 基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态. 建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.      

铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

波浪与外壁开孔双筒柱群的相互作用

应用速度势的特征函数展开和透空壁内两壁间压力差和流体速度成正比的线性模型,建立 了波浪与外壁开孔同轴双筒桩柱群相互作用的线性解析解. 应用这一模型进行了数值计算, 用以检验孔隙系数对双筒柱上的波浪力和波面高度的影响. 结果表明,外壁孔隙系数的增加 对减小波浪力和柱外波面高度有很大影响.     

球面聚心气相爆轰波传播过程的数值研究

应用频散可控耗散格式对球面聚心气相爆轰波的传播过程进行了数值模拟 研究. 通过跟踪波阵面上压力和温度变化，分析这些参数在爆轰波传播过程中的演变规律， 及其与几何尺度和初始条件之间的依赖关系. 研究结果表明，仅在远场波面压力的变化近似 只依赖于r/R，对称中心附近则需要考虑初始半径$R$的影响；波面压力与初始压力的变化呈 线性关系；汇聚过程中温度升高比压力慢得多.     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

爆轰波小拐角绕流的近似解析解

本文中考虑一平面爆轰波的绕射问题,用类似于Lighthill的思想处理了爆轰波在固壁小拐角附近的绕射问题,求得了一个近似解析解,并对解的奇异性进行了分析。 (一)基本运动方程和边界条件 设有一无穷远处起爆的平面爆轰波,在炸药介质中垂直于一平面刚壁运动,此壁在Q点处有一拐角α(向下拐为负),爆轰波运动到此处后,就绕此拐角运动,在平面壁延长线上方仍保持平面波波面运动;下方则是以Q点为爆轰中心的柱面波,它们都以正常爆轰     

无风条件下马蹄波波面演化特征的实验研究

在实验室无风条件下对马蹄波进行了实验研究. 得到了L2型的马蹄波,也发现了两种新的类似马蹄波的波型,给出了马蹄波的横向波长和波高参数的几何特征,分析了马蹄波演化的过程中波面时间历程和振幅谱特征,讨论了马蹄波产生的机理和条件.      

滑坡滑面(带)的辩识

在实验室无风条件下对马蹄波进行了实验研究. 得到了L2型的马蹄波,也发现了两种 新的类似马蹄波的波型,给出了马蹄波的横向波长和波高参数的几何特征,分析了马蹄波演 化的过程中波面时间历程和振幅谱特征,讨论了马蹄波产生的机理和条件.     

斜爆轰的多波结构及其稳定性研究进展

斜爆轰是气相爆轰物理的一个重要研究方向,在航空航天新型动力领域有重要的潜在应用价值.作为激波诱导的高速燃烧, 斜爆轰波可以简化为包含能量添加的间断面.然而, 斜爆轰流动中往往涉及激波、湍流等多种的流体力学现象,它们和燃烧放热耦合在一起, 导致流动和燃烧机理非常复杂. 一方面,斜爆轰波具有的多尺度和非线性的特征, 理论研究难以深入; 另一方面,爆轰波流场高温、高压、高速的特点, 又给实验研究带来了很大的困难.过去20年, 主要借助数值方法,研究者对斜爆轰波开展了系统的模拟和分析,在诸多方面取得了明显的进展.本文首先介绍了理想情况下的起爆区波系结构和波面稳定性研究进展;其次着眼于推进系统的问题,关注了非均匀来流效应以及斜爆轰波与稀疏波的作用;最后对未来的研究工作提出一些建议.      

基于预修正快速傅里叶变换高阶边界元方法的多体水动力分析

高阶边界元方法在求解波浪对海上建筑物作用问题中具有诸多优势,但由于它所形成的矩阵是一个满阵,计算量和存储量均为未知量的平方量级,很难满足如多体水动力分析等大尺度多未知量问题的计算需要。本文采用预修正快速傅里叶变换高阶边界元方法（pFFT-HOBEM）,将计算量和存储量均降低到未知量的线性量级。通过对不同未知量时该方法与传统边界元法的计算量与存储量的对比,以及该方法自身各步骤计算时间的对比,研究了不同pFFT网格方案对计算量和存储量的影响,并提出了基于计算时间最小化原则的pFFT网格优化方法。采用本文方法研究了四柱结构在不同频率波浪作用下的作用力及波面分布,并对近场干涉发生时的物理现象进行了分析和讨论。     

均匀流中双色波传播特性的模拟研究

针对双色波浪与均匀流相互作用问题,采用时域高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的数学模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已发表试验结果对比,验证了本模型的准确性。通过数值计算研究了水流参数对各组成波及衍生的高阶波幅值、波浪和水流间能量交换的影响规律。     

潜堤上波流传播的完全非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立模拟波流混合作用的完全非线性数值水槽模型, 其中自由水面满足完全非线性自由水面条件. 采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面, 运用4阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势. 为了减少计算域, 提高计算速度, 采用同时消除底面和侧面的镜像格林函数; 在每一时间步内, 对网格进行重新划分以避免由于网格运动变形而引起的数值不稳定问题. 对水流中淹没潜堤上的波浪变形在水槽中开展了物理模型试验, 并把试验结果和数值结果进行了对比, 吻合得很好. 进一步研究了水流及潜堤的存在对高阶谐波产生的影响.      

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

两种不同气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变

对2C2H2 5O2及2C2H2 5O2 80%Ar两种可燃混合气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变过程进行实验研究.高速爆燃波由孔栅干涉爆轰波的方法直接生成,观测手段则以高速转鼓摄影获取孔栅近场流场x-t纹影图,以传感器追踪波面的后继发展.研究发现,两种气体中的爆燃波具有迥异的特性.前者燃烧波面在较低初压条件下为层流结构,而较高初压下为湍流结构,向爆轰转变点可以延伸至下游较长距离;后者在不同初压条件下燃烧波面无明显差异,爆轰的再次形成只能在孔栅下游近场内建立.两种气体中高速爆燃波的维持和爆轰转变过程均非纯粹激波压缩所致,湍流输运在其中起着必不可少的作用.分析显示,激波压缩效应对纯氧炔气体的高速爆燃和DDT贡献较小,湍流输运占主导地位;而氩气稀释气体较为稳定,缺乏自行衍生剧烈湍流燃烧的能力,因而激波压缩和外界扰动对其高速爆燃传播和爆轰转变起十分重要的作用.     

φ800激波管流场参数测量

1.实验装置和测量原理 本实验使用不锈钢圆形直激波管,高压段长1.6m,内径223mm;低压及实验段内径800mm。使用氢氧燃烧驱动,驱动压力约80ata,测量支架距膜片的有效距离为14m。 我们用薄膜电阻温度计式的金膜热探头在激波管中测量②区长度和波面形状,用电探针来测量分界区与③区的交界处。它们的信号直接或经过热电模拟线路以后,输     

基于势流理论的内孤立波与立管作用数值研究

内孤立波是一种发生在水面以下的在世界各个海域广泛存在的大幅波浪, 其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对以海洋立管为代表的海洋结构物产生严重威胁, 分析其传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律对于海洋立管的设计具有重要意义. 本文基于分层流体的非线性势流理论, 采用高效率的多域边界单元法, 建立了内孤立波流场分析计算的数值模型, 可以实时获得内孤立波的流场特征. 根据获得的流场信息, 采用莫里森方程计算内孤立波对海洋立管作用的载荷分布. 将内孤立波流场非线性势流计算模型与动力学有限元模型结合来求解内孤立波作用下海洋立管的动力响应特征, 讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响. 发现随着内孤立波波幅的增大, 海洋立管的流向位移和应力明显增大. 由于上层流体速度明显大于下层, 且在所研究问题中拖曳力远大于惯性力, 因此管道顺流向的最大位移发生在上层区域. 顶张力通过改变几何刚度阵的值进而对立管的响应产生明显影响. 对于弱约束立管, 内部流体的密度对管道的流向位移影响较小.      

波流与结构物相互作用的数值模拟

采用高阶边界元法建立波流与任意形状结构物相互作用的时域数学模型。在小流速假设下,将速度势进行摄动展开,边界条件分解为双物体假设下的零阶波陡稳定问题和一阶波陡下的不稳定波浪问题。物面速度势及自由水面速度势的法向导数等未知量通过求解高阶边界元积分方程得到,而积分方程的求解则通过一个数值程序来实现。在每个时间步上采用四阶Runge-Kutta法更新下一时刻自由水面波面和速度势,自由水面上采用人工阻尼层消除散射波。通过波流与直立圆柱相互作用的数值计算研究了一阶激振力和二阶慢漂力随波数的变化关系以及圆柱周围波幅的分布曲线,并与已有频域结果和时域结果对比验证了所建模型的准确性,进而应用本文模型研究了波流与实际工程结构物相互作用的问题。     

后掠水翼简化升力面模型的数值解

水翼在舰船上有着广泛的应用,因而研究水翼的流体动力性能具有重要的实际意义。文献[2]和[3]在线化波面条件下,运用涡格法对有限翼展水翼作了数值求解,取得了满意的效果。本文提出另一种数值计算方法:沿水翼展向采用连续的旋涡分布,并且将其展开为正弦多项式,而沿水翼弦向仍采用离散的旋涡分布。由于水翼展向环量分布比较接近于椭圆分布,因此如用正弦多项式来逼近,有可能只取较少的项数就可获得足够的精确度,计算实践表明确实如此。本文现仅考虑在弦向安置一根集中涡线的情况,在此基础上推广至弦向有多根集中涡线的一般情况是不难的。