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.     

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren,BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function,PSF）分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。     

超声速平板圆台突起物绕流实验和数值模拟研究

高速飞行器表面不可避免的存在突起物并形成复杂流场, 从而引起飞行器气动特性和热载荷的变化; 同时, 突起物是流动控制的重要方法之一, 合适的突起物形状及安装位置对于改善冲压发动机进气道性能有重要意义. 本文采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)研究了马赫3.0来流边界层为层流的平板上三个不同高度圆台突起物绕流流场, 主要关注了突起物后方的尾迹边界层, 并采用高精度的显式五阶精度加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)离散求解Navier-Stokes方程模拟了该流场. 获得了超声速圆台绕流精细流场结构, 观察到突起物后方尾迹区域边界层发展的过程. 结合实验和数值模拟结果可以发现, 当圆台高度接近或者小于当地边界层厚度时, 突起物对边界层的扰动非常弱, 圆台后方尾迹边界层能够维持较长距离的层流状态, 在边界层转捩阶段也有清晰的发卡涡结构出现; 反之, 边界层受到的扰动明显增大, 在突起物后方很快发展为湍流; 风洞噪声对本文研究圆台引起的边界层扰动有一定影响, 实验获得的边界层转捩位置要比数值结果靠前. 基于NPLS流场图像, 采用间歇性方法分析了圆台突起物后方边界层的特性, 对于高度大于边界层厚度的圆台其间歇性曲线较为接近并且更加饱满, 边界层的脉动也更为强烈.     

自由旋涡气动窗口的光学特性研究

文中讨论了超音速自由旋涡气动窗口的折射率结构，对设计的超音速自由旋涡气动窗口射流流场及超音速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了数值分析和实验研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算和实验结果。     

三维无规则不均匀折射率场光线追迹新方法

飞行器在大气层中高速飞行时,气动加热,光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀,很难准确得到光线的传播路径。为此,提出三种四阶精度方法的光线追迹方案,通过与螺旋光线解析解结果进行对比,发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.610-8,Richardson外推法为1.210-8,Adams线性多步法为1.210-11,确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算,对计算结果进行了对比,结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步,但Admas方法没有忽略前一步的计算结果,不会带来误差的累积,所以结果更接近真实解,而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。     

Temporal evolution of optical path difference of a supersonic turbulent boundary layer

The density distribution of a supersonic turbulent boundary layer is measured with the nanoparticle-based planar laser scattering technique, and the temporal evolution of its optical path difference (OPD) in a short time interval is characterized by proper orthogonal decomposition (POD). Based on the advantage of POD in capturing the energy of a signal, a temporal evolution model is suggested for the POD coefficients of OPD. In this model, the first few coefficients vary linearly with time, and the others are modeled by Gaussian statistics. As an application, this method is used to compute the short-exposure optical transfer function.     

雷诺数对超声速气膜气动光学效应影响的实验研究

受到风洞实验能力的限制，高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数，在经典流体力学风洞实验中应用广泛，研究其对于气动光学效应的影响，对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析，证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数；通过创新性设计变雷诺数实验装置，可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数，并利用BOS-WS（BOS-based Wavefront Sensor）技术测量了对应状态的光程差，通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现，对于二维超声速气膜而言，观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。     

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.     

激波喷出过程和在林带中的传播

运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果 :揭示了激波从管口喷出时的复杂流场 ,显示了主激波弯曲和衰减 ,二次激波的形成和合拢 ,涡环的长大和发展 ,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象 ;显示了激波在林带中的传播过程 ,取得了激波遇林地的反射 ,马赫杆形成 ,激波与林冠的相遇 ,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片 ;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力 ,证实林带有明显的消波效应。     

Experimental study on supersonic film cooling on the surface of a blunt body in hypersonic flow

The experimental study focuses on the heat flux on a double cone blunt body in the presence of tangential-slot super- sonic injection into hypersonic flow. The tests are conducted in a contoured axisymmetric nozzle with Mach numbers of 7.3 and 8.1, and the total temperature is about 900 K. The injection Mach number is 3.2, and total temperature is 300 K. A constant voltage circuit is developed to supply the temperature detectors instead of the normally used constant current circuit. The schlieren photographs are presented additionally to visualize the flow and help analyze the pressure relationship between the cooling flow and the main flow. The dependence of the film-cooling effectiveness on flow parameters, i.e. the blow ratio, the convective Mach number, and the attack angle, is determined. A semi-empirical formula is tested by the present data, and is improved for a better correlation.