纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.      

Instantaneous and time-averaged flow structures around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling visualized via nano-tracer planar laser scattering

In a Mach 3.8 wind tunnel, both instantaneous and time-averaged flow structures of different scales around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling were visualized via nano-tracer planar laser scattering (NPLS), which has a high spatiotemporal resolution. Three experimental cases with different injection mass flux rates were carried out. Many typical flow structures were clearly shown, such as shock waves, expansion fans, shear layers, mixing layers, and turbulent boundary layers. The analysis of two NPLS images with an interval of 5 μs revealed the temporal evolution characteristics of flow structures. With matched pressures, the laminar length of the mixing layer was longer than that in the case with a larger mass flux rate, but the full covered region was shorter. Structures like K-H (Kelvin-Helmholtz) vortices were clearly seen in both flows. Without injection, the flow was similar to the supersonic flow over a backward-facing step, and the structures were relatively simpler, and there was a longer laminar region. Large scale structures such as hairpin vortices were visualized. In addition, the results were compared in part with the schlieren images captured by others under similar conditions.     

超声速混合层气动光学畸变与抖动 ——BOS测量技术及其应用

超声速混合层的气动光学畸变与抖动严重恶化其光学性能, 但现有测量技术限制了相关研究的时空分辨率. 通过系统集成与开发, 提出了基于背景纹影(background orient schlieren, BOS)矢量场的高分辨率全场气动光学畸变与抖动测量方法, 分析了BOS的系统结构、灵敏度与分辨率等基本问题. 利用BOS研究了超声速混合层流向结构的气动光学畸变与抖动, 定量化不稳定涡运动造成的气动光学效应, 利用时间相关技术确定了气动光学抖动效应的时间尺度. 超声速混合层展向结构的畸变场展示了光线穿越超声速混合层流场所出现的条带型畸变结构, 这种结构是制约其光学性能的主要瓶颈之一. 气动光学畸变与抖动效应的定量化为超声速混合层光学应用提供了重要的实验依据.     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

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.      

超声速湍流边界层密度脉动小波分析

以基于纳米示踪平面激光散射技术的密度场测量方法获得的Ma=3.0平板湍流边界层密度场实验数据为基础,采用小波方法对湍流边界层密度脉动进行了多尺度与动态特性分析.研究表明,近壁区密度脉动概率密度呈偏离高斯分布,大尺度分量对湍流边界层密度脉动起主导作用,小尺度分量使概率密度呈"M"型分布;采用希尔伯特变换对幅度调制效应进行分析,结果表明超声速湍流边界层近壁处外层大尺度密度偏移会导致内层小尺度密度脉动的局部增强或减弱;采用基于小波变换的时变谱密度估计对边界层不同高度的密度脉动进行分析,结果表明脉动主要分布在1 MHz以内,主导频段的密度脉动间歇性明显;随着时间的发展,大部分脉动存在频率从高频过渡到低频,幅值先增加后减少的规律;随着高度的增加,对数区脉动主要分布在105 Hz以下,尾迹区则集中在105 Hz以上,边界层与主流交界处的脉动主要分布在两者相互作用形成的大尺度结构附近,脉动能量从近壁面到主流区呈现先升高后降低的变化规律.