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.     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

高超声速飞行器动力系统研究进展

简要介绍了高超声速飞行器动力系统的概况.第2部分介绍了超燃冲压发动机、爆震发动机和组合循环发动机等典型高超声速吸气式发动机的基本工作原理与系统组成,描述了各自的特点.第3部分阐述了高超声速飞行器动力系统存在的难点问题,并列出了在总体设计、进气道、燃烧室、尾喷管、热防护、轻质结构、燃油供应与控制等方面的关键技术.第4部分回顾了上述几种典型发动机的发展历程,比较全面地介绍了世界主要航空、航天大国在动力系统关键技术攻关与系统研制方面的主要研究计划和取得的主要进展,总结了经验教训, 指出了发展趋势.第5部分阐述了高超声速飞行器动力系统中的燃烧过程及其燃烧基本问题,介绍了主要研究进展.      

DPIV技术在高超声速通气模型内阻测量中的应用

针对高超声速通气模型内阻测量存在的误差大的问题,首次采用DPIV技术和总压测量排架相结合的方法测量了超燃发动机尾喷管流场速度矢量和皮托压力分布,间接获得了内流出口处平均马赫数和静压平均值,从而实现了高超声速通气模型内阻测量。研究结果表明:DPIV试验获得的粒子图像可以清楚地显示喷管出口位置内外流的分界面、内外流混合层的尾迹、通气模型外表面边界层;DPIV试验获得的速度矢量场结果准确、精度高,能够提供远远超出传统测量技术所能提供的流场信息。DPIV技术作为一种有力的测量手段,在高超声速飞行器研究中能够发挥重大的作用。     

关于吸气式高超声速推进技术研究的思考

回顾了吸气式高超声速推进技术的研究进展, 分析了超燃冲压发动机研制面临的关键科学问题, 并从不同角度探讨了增大超燃冲压发动机推力的可能方法.这些方法包括: 能够降低总压损失的高超声速来流压缩方法、生成三维涡流的超声速混合增强技术、碳氢燃料的预热喷射、可以控制燃烧过程的燃烧室设计优化方法、通过减小发动机流道湿面积来降低摩擦阻力和催化复合解离的燃气降低高温气体效应.考虑到等压热力学循环的热效率,还建议研究在高超声速推进系统中应用热效率高的爆轰过程, 并探讨了爆轰推进方法研究的进展与问题.吸气式高超声速推进技术是高超声速飞行器发展的关键技术, 认真思考和探索其发展方向是非常必要的.      

返回舱三维高超声速绕流及近尾迹流场数值模拟

为使返回舱安全、稳定、可靠地飞行，准确地计算其周围的复杂绕流流场，对飞船的初步设计是十分必要的。用Ｈａｒｔｅｎ－Ｙｅｅ的二阶迎风ＴＶＤ有限差分格式求解薄层Ｎ－Ｓ方程，模拟了返回舱三维高超声速流场，Ｍ＿∞＝７．３５，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣５，α＝１０°、２０°。给出了详细的绕流结构，不同攻角、不同子午面上的物面压力分布与Ｍｏｓｅｌｅｙ和ｗｅｌｌｓ的实验数据进行了比较，符合较好。通过分析表明，在一定的攻角下，倒锥体上低压区压力的计算精度，对力矩系数及压心位置仍有明显的影响。     

超声速和高超声速进气道的数值模拟

本文讨论超声速和高超声速进气道的数值模拟问题,其中包括国内外对进气道问题的一些主要进展、方向和今后预研的动态,目的在于弄清流场形成的机理,为高速飞行器进气道的气动设计提供理论依据。      

高超声速飞行流场中的最大氧离解度分析

针对大气层内高超声速飞行时的化学非平衡现象,建立了沿驻点线流动的空气中氧离解度的计算模型. 模型假设氮气在氧气未充分离解时不发生离解,并且不涉及边界层内的复合反应. 理论计算发现,空气中氧的离解度随飞行高度的增加呈先增后减的非单调变化规律,其原因是由于化学反应平衡移动与非平衡效应相互作用的结果. 这一结论得到了数值模拟结果的验证,同时也解释了文献中当飞行高度较高时真实气体效应减弱的现象. 基于驻点线的近似理论模型,计算得到了轴对称钝头体绕流流场中的最大氧离解度及边界层外缘温度随飞行速度和高度变化的等值线图谱,相关结果可以为工程设计所用.      

机动弹头高超声速流场数值模拟及拓扑结构分析

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似Navier Stokes方程 ,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格。最后给出带控制舵机动弹头在M∞ =7.3,α=2 0 0 下的计算结果 ,并通过对表面极限流线和垂直于体轴的横截面流线的分析给出了流场的拓扑结构     

高超声速吸气式发动机的研究进展与发展趋势

１前言 高超声速吸气式推进技术是发展新一代低成本、高性能天地往返运输系统的关键技术,具有强烈的航空航天和军事应用背景,因此它是当前国际上航空航天大国竞相投入巨资开展研究工作的重点之一,其核心是超燃冲压发动机．今年６月初美国 ＮＡＳＡ试飞的Ｘ－４３Ａ样机基本上可以代表目前国际上发展此项技术的最前沿．虽然由于搭载火箭的失败,没有获得有效的实验数据,但这次试飞说明大量的关键性技术问题已经解决,已由地面实验转移到飞行实验阶段． 我国在这方面的研究工作起步较晚,１９９９年才正式开始论证如何发展我国的高超声速…     

应用PIV对角区非定常马蹄涡结构的实验研究

利用PIV技术研究了柱体与平板层流边界层角区的非定常流动结构,流动显示和PIV测量均 表明角区存在3种非定常的马蹄涡模态,即绕合模态、脱落-绕合模态以及脱落-耗散模态, 一定$Re$数下主涡脱落后既可能表现为脱落-绕合模态,也可能表现为脱落-耗散模态. 这主 要取决于模型头部形状对涡轴造成的拉伸以及耗散和扩散程度. PIV测量表明,随雷诺数增 加主涡下方从壁面喷发的反向二次涡逐步增大形成强度和尺度较大的``涡舌', 该``涡舌' 将突入整个涡系所在的边界层,最终将主涡与上游涡系隔离并使其从旋涡生成区涡系脱落. 马蹄涡非定常摆动时具有较复杂的奇点形态组合和演化,反映涡轴受到了交替的拉伸和压缩 作用.     

亚微米颗粒在汇作用下运动机理的实验研究

当前,城市空气质量的不断恶化,引起了公众的普遍性关注.空气中的悬浮颗粒物,是城市大气环境重要污染源之一,其分布、运动及扩散规律已成为科学领域的研究热点.与连续流体不同,大气中的悬浮颗粒物是离散的,确定颗粒运动的模型是研究大气细微颗粒污染问题的关键.本文拟研究小空间静稳空气中亚微米级颗粒在汇作用下的运动规律,并构建其运动模型.在密闭实验空间中通过燃烧生成亚微米颗粒,利用静电吸附装置模拟颗粒汇,并通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)实验和激光多普勒测速仪(lasser Doppler velocimeter,LDV)实验技术测量分析不同空间内亚微米颗粒在大气中的热运动速度和在汇作用下的运动规律,并推导出颗粒物的速度分布经验公式.结果显示:粒子在汇作用下的运动与连续流体汇运动规律类似,但在小空间内颗粒的运动不满足流体连续方程;说明在无气流夹带输运情况下,利用汇作用及颗粒的扩散而发展的颗粒净化技术是可行的.     

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

PIV EXPERIMENTS ON FLOWFIELD CHARACTERISTICS OF ROTOR AIRFOIL DYNAMIC STALL AND MODIFICATIONS OF L-B MODEL

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性,采用3D-PIV 技术,对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量,发现涡在不同位置处的输运速度不同：位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征,改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes,L-B）模型,将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数,修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%,力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%,与试验值相比更加吻合,表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.     

不同心排出量下主动脉瓣血流动力学的PIV实验研究

主动脉瓣发生病变时导致心排出量(cardiac output, CO)减少,而心排出量减少与主动脉瓣血流动力学耦合作用, 引发瓣膜继发性疾病.本文基于医学影像数据三维重构带有冠状动脉的主动脉根部,制备高度光滑和透明的主动脉根部实验模型, 构建体外脉动循环模拟系统,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)研究冠状动脉存在时心排出量对主动脉瓣速度分布、黏性剪应力(viscous shear stress, VSS)和雷诺剪应力(Reynolds shear stress, RSS)等血流动力学的影响.研究结果表明: 冠状动脉的存在改变了主动脉窦中的涡旋运动和涡度,冠状动脉存在时流体经由冠状动脉流出, 主动脉窦中的涡旋运动逐渐消失,涡度较早开始减小. 峰值期, 中心对称流动两侧区域存在正、负高黏性剪切区域,存在冠状动脉一侧的升主动脉下游存在高雷诺剪应力区域.心排出量显著影响主动脉瓣的速度分布、VSS和RSS等血液流动和受力状况.随着心排出量增大, 冠状动脉存在时峰值期的最大速度、VSS和RSS增大, 即$CO=2.1$, 2.8, 3.5和4.2 l/min时, 最大速度分别为0.98, 1.13, 1.21和1.37 m/s, 最大VSS分别为0.87, 0.95, 0.96和1.02 N/m$^{2}$, 最大RSS分别为103.76, 116.25, 138.68和146.55 N/m$^{2}$. 心排出量较低时,主动脉瓣较低的跨瓣流动速度和黏性剪应力易导致血栓形成,研究结果可为主动脉瓣置换术提供理论参考.      

低超声速圆球绕流后体流场的数值模拟

本文根据圆球跨声速自由飞行实验的流谱结构,建立了低超声速圆球分离流动的流动模型,它成功地计算了考虑粘性分离影响的圆球绕流的后体流场。在计算得到的后体流场中,反映流谱特征的分离激波、尾激波、分离界面等,其位置和形状与实验结果吻合很好,因此本文给出了一种能反映真实流动情况的圆球后体流场介。     

基于CFD流态分析技术的座便器虹吸管道优化设计

在Fluent软件中应用RNG $k$-$\varepsilon$湍流模型及流体体积函数(VOF)对座便器内部三维湍流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值模拟,得到了座便器内流场三维流动形态,研究了座便器虹吸管内流动规律,分析了虹吸管形状对流速分布、压力分布及虹吸性能的影响,以三维湍流场的分析结果为依据,实现了座便器虹吸管道的优化设计. 通过PIV测试数据验证了三维湍流数值模拟结果的准确性.     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.