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2014年  第28卷  第4期

研究进展
基于 PIV 速度场测量重构压强场的研究进展
王勇, 陈鹏, 耿子海, 王万波, 李士伟
2014, (4): 1-8,24. doi: 10.11729/syltlx20140012
摘要(296) PDF(48)
摘要:
利用 PIV 测量得到的速度场数据重构空间压强场是一种新颖的压强测量方法。目前国外的一些仿真计算和风洞实验已经证明了该方法的可行性和有效性。本文首先详细介绍了基于 PIV 速度场测量重构压强场的基本原理---两种压强梯度计算方法(拉格朗日方法和欧拉方法)和两种压强积分方法(平面 Poisson 法和直接空间积分法),然后从速度场测量、压强梯度计算和压强分布计算3个方面综述了基于 PIV 速度场测量重构空间压强场的关键技术及相关的研究进展,最后从 PIV 速度测量的改进、参数的优化设置、算法的改进与创新、探索并完善3D压强分布计算、可压缩流动条件下的压强重构技术等5个方面探讨了该方法的发展方向,以期引起国内同行对该技术的高度重视并为其进一步发展提供一定的参考。
基础研究及应用
低雷诺数下进气道异常起动现象及其影响因素探析
凌岗, 李祝飞, 肖丰收, 姜宏亮, 刘坤伟, 高文智, 杨基明
2014, (4): 9-15. doi: 10.11729/syltlx20140045
摘要:
结合激波风洞实验和数值模拟分析,对一种二元混压式进气道在实验中低单位雷诺数下反而呈现出自起动特征的异常现象进行了研究。根据激波风洞的反复实验观察,表明随着来流单位雷诺数的降低,在继进气道进入不起动状态之后又会重新出现自起动特征的异常起动现象。该结果与层流模型计算得到的流场结构相符,而与湍流模拟结果差异显著;分析表明,层流情况下,由于分离区向前体压缩面大范围地延伸,缓解了进气道入口的逆压梯度,从而在喉道处可以形成主体为超声速的通畅流道,而湍流情况下,进气道入口处激波/边界层干扰形成过分集中的分离泡则呈现明显的壅塞状态;尽管层流情况下进气道流场结构呈现出较为通畅的类似起动的特征,但其流量系数仍明显低于湍流的情况。因此,实验上所观察到的这种异常起动现象严格地说并不属于真正意义上的起动状态。
淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析
温谦, 沙江, 刘应征
2014, (4): 16-24. doi: 10.11729/syltlx20130056
摘要(196) PDF(10)
摘要:
利用平面激光诱导荧光流动显示技术(LIF)和二维高速粒子图像测速技术(TR-PIV)对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法(POD)对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re =5600,淹没深度 H/D =4。LIF 实验结果表明:自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明:射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。
垭口地貌要素对风速分布规律影响的风洞试验研究
张宏杰, 赵金飞, 蔡达章, 牛华伟
2014, (4): 25-30. doi: 10.11729/syltlx20130044
摘要:
输电线路微地形气象灾害的调查研究显示,垭口地貌影响下的输电线路风偏闪络事故多发。鉴于垭口地貌不同位置处的风剖面分布规律尚不明确,借助风洞试验,研究了垭口地貌的山丘坡度、谷口宽度等地貌要素对山谷及山脊中轴线上风速分布规律的影响。风洞试验结果表明:与平地风速相比,山谷中轴线及山丘峰顶处风速的最大加速幅度分别达到了33%和53%,明显大于规范规定的10%,容易造成垭口区域内输电线路风偏闪络或倒塔;山谷中轴线风速修正系数随两侧山丘坡度增加而增加,随谷口宽度增加而减小,提出了符合这一规律的计算公式;山谷中轴线上,下风侧风速加速效应略强于上风侧;垭口两侧山丘山顶处风速未受垭口地貌影响,风洞试验测得风速修正系数与单体山丘拟合公式的计算结果基本一致;设计时可统一偏于保守地取用山丘顶部的风速修正系数对平地风速予以修正。
绕圆头回转体通气空化流型的实验研究
段磊, 王国玉, 付细能
2014, (4): 31-36,64. doi: 10.11729/syltlx20130040
摘要:
为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。
Ahmed 模型的流固耦合数值计算方法探索与实验验证
沈沉, 杨志刚
2014, (4): 37-42. doi: 10.11729/syltlx20130017
摘要:
流固耦合效应会影响汽车行驶安全性,对该效应的数值模拟方法的可信度需要验证。以 Ahmed 模型作为数值仿真和实验验证的对象,数值计算是流体计算与结构计算两部分耦合,配合风洞实验的位移、压力测量技术与流场显示技术(烟流法、丝线法)与之比较,数值模拟与实验所得位移结果之间的差异始终在20%以内。从流场结构角度分析得到流固耦合效应影响气动力的机理主要在于流场中涡的拓扑结构变化。为将来数值研究时变侧风下车辆的流固耦合问题提供实验及理论依据。
排气管系三分支接头内部流场的 PIV 测试研究
汪文辉, 陆振华, 刘胜, 邓康耀, 崔毅
2014, (4): 43-48. doi: 10.11729/syltlx20130049
摘要(165) PDF(11)
摘要:
以内燃机排气管系气体流动损失研究为背景,采用激光粒子图像测速技术对45°三分支管接头在流型6时的内部流场进行测量,获取了在不同流量比及气流马赫数工况下接头内部的流场数据。接头的支管段与主管段内径均为50mm,分支夹角的交界点处以及支管的转角处都为锐角边缘。通过对不同流量比 q 和马赫数 Ma 的工况进行测试,得到了气体在三分支流动中的试验数据。结合压力损失数据对比分析不同工况的速度场和流线图谱等流场特征,测试结果表明:流型6时,接头内的流场存在明显的流动收缩;气流的流动参数将影响和改变接头内的流场特性,其中随着支管与总管流量比的增大,接头内气流湍流区域扩大,压力损失增加;流出端马赫数对流场特征及压力损失也存在影响,Ma 为0.13和0.31时,总压损失系数变化不大,当 Ma 增大到0.59时,总压损失系数大幅度增加。
测量技术
高超声速风洞多天平测力试验技术研究
舒海峰, 许晓斌, 孙鹏
2014, (4): 49-53. doi: 10.11729/syltlx20130018
摘要(281) PDF(11)
摘要:
在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0.7%以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma=5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。
旋转流场下的振荡动导数试验技术研究
吴金华, 孙海生, 沈志洪, 姜裕标
2014, (4): 54-58. doi: 10.11729/syltlx20130057
摘要:

为研究飞机在旋转流场下的非定常气动特性,中国空气动力研究与发展中心低速所在Φ5m 立式风洞开展了旋转流场下的振荡动导数试验技术研究。本文推导了在旋转流场下识别组合动导数的方法,介绍了试验设备,获得了在旋转的同时,由振荡产生的3个组合动导数,并对试验结果进行了分析与讨论。将单自由度动导数结果与Φ3.2m 风洞试验结果进行了对比,旋转/振荡耦合试验结果表明:旋转运动使得俯仰组合动导数变得不稳定,而对于横向组合动导数,大转速则会显著增大非线性。该试验技术能够为研究旋转流场下的非定常气动特性提供一个有效的试验平台。

超声速/高超声速风洞试验段结构形式对流场性能的影响研究
杨波, 柳森
2014, (4): 59-64. doi: 10.11729/syltlx20130023
摘要(120) PDF(18)
摘要:
通过求解轴对称 N-S 方程,对Φ1 m 高超声速风洞马赫数3和6状态下的流场进行了模拟,计算结果与试验数据基本一致,验证了所用数值方法的可信性。在此基础上,对比研究了马赫数3和6状态下采用闭口等直圆截面和开口自由射流两种试验段结构形式的超声速/高超声速风洞在起动条件下的稳态流场性能。结果表明:采用闭口等直圆截面试验段和开口自由射流试验段的流场均匀区内速度场性能指标均满足相关标准要求;马赫数3喷管采用闭口试验段时,沿风洞轴向-300mm~900mm 截面范围内的流场均匀区直径均保持在Φ882mm 以上,均匀区面积较开口试验段增加了约31.57%;马赫数6喷管采用闭口试验段时,均匀区面积比开口试验段仅增加了约8.24%,流场品质略为提高。超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加明显;但在高超声速条件下,闭口试验段的流场均匀区增加比较有限。
低速全模颤振试验悬挂支撑系统
唐建平, 杨远志, 梁鉴
2014, (4): 65-69. doi: 10.11729/syltlx20130014
摘要:
为适应日益增多的低速风洞全模颤振试验的需要,发展颤振试验技术,在气动中心低速所3.2m 风洞建立了一套通用的悬挂支撑系统。该悬挂系统分为垂直和水平两部分,水平悬挂系统由水平钢索装置和张紧机构组成。系统可提供模型沉浮、俯仰、横侧向、偏航和滚转5个方向的自由度;可单独改变模型某一方向的自由度而不影响其它方向的自由度;可确保模型上下、左右、前后位置都处于试验段正中心;可方便地调整模型的迎角和滚转角。对采用该悬挂系统的颤振模型,文中提供了技术要求和参数选择方法。采用同一颤振模型在3.2m 风洞与TsAGI 的 T-103风洞进行了对比试验,得到的颤振临界速度、频率基本一致,证明该套悬挂系统设计合理,可以应用于低速全模颤振试验。
第一届全国超高速碰撞会议论文专栏(三)
航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究
王晓宇, 张超, 孙维, 裘进浩, 臧晓云
2014, (4): 70-77. doi: 10.11729/syltlx2014pz20
摘要(157) PDF(13)
摘要:
航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。
卫星解体碎片生成数值模拟
张晓天, 贾光辉
2014, (4): 78-83. doi: 10.11729/syltlx2014pz32
摘要:
提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。
多序列激光阴影成像技术研究及应用
谢爱民, 黄洁, 宋强, 郑蕾, 柯发伟, 柳森
2014, (4): 84-88. doi: 10.11729/syltlxpz04
摘要(350) PDF(27)
摘要:
为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2~7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。
亚毫米级弹丸光电探测技术
任磊生, 罗锦阳, 罗庆, 龙耀, 黄洁
2014, (4): 89-93. doi: 10.11729/syltlx2014pz09
摘要:
本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0.6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0.1mm高速弹丸的探测。
钢球对肥皂靶的撞击试验
陈萍, 柳森, 李毅, 黄洁, 雪忠
2014, (4): 94-98. doi: 10.11729/syltlx2014pz37
摘要:
为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3.0mm 的钢球高速(0.96和1.88km/s)及超高速(3.52和4.98km/s)撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明:高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面:一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。
NASA 二级轻气炮设备简介
王东方, 肖伟科, 庞宝君
2014, (4): 99-104. doi: 10.11729/syltlx2014pz02
摘要(525) PDF(52)
摘要:
随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。
北京航空航天大学教授---凌云沛先生纪念文章
凌云沛先生的一生经历
2014, (4): 105-108.
摘要:
凌云沛先生(1920-2014),北京航空航天大学教授,我国空气动力学知名学者,北京航空航天大学实验流体力学学科创始人之一。他主持建设了北京航空航天大学系列超声速及高速风洞和水力实验室,完成了国内风洞建设的诸多开创性工作,并培养了众多优秀的航空航天及流体力学专业人才,为我国航空航天事业的发展作出了重要贡献。
怀念敬爱的凌云沛教授
申功炘
2014, (4): 109-109.
摘要:
凌云沛教授是北航实验流体力学的学科创始人之一,我们都尊称凌先生,不仅是我们的长辈,在学术上、教学上都是我们的先生。凌先生不仅在我校,在空气动力学界也是知名的学者,曾受特聘当过当时北京空气动力学研究所的学术顾问,也曾是国防科工委实验空气动力学专家组(马明德先生为组长)的重要成员,大家都尊称他为凌先生。
怀念我的流体力学启蒙老师--凌云沛教授
贺家驹
2014, (4): 110-111.
摘要:
1952年暑假结束,我们清华大学航空学院二年级学生120多人从上海、太原工厂实习结束,回到清华园气象台下、梁思诚教授新设计建成的大玻璃窗宿舍内,老师宣布院系调整,成立北京航空学院,抽调我们班各30人组成苏联学制的飞机工艺和发动机工艺两个班进城住钱粮胡同,到原中法大学,现属北京工业学院的亮果厂一个小院上课。其中还有从北京工业学院进城的一个三年级,一个四年级飞机设计专业的两个班。我们清华大二班余下留在清华的人,按照第一个五年计划需要于1953年学满3年提前毕业,按本科分配工作。很快,我们60人就搬进城,开始了三年级的苏联课程学习。从课程表上看到,有一门“流体力学和流体机械”,我有点纳闷,这个课和我们飞机工艺专业有什么关系呢?上课了,老师是一位中年人,敦实的体型,他自我介绍叫凌云沛,由四川大学合并而来。北京的秋天,降温时,已可戴棉帽。进教室后,他打开遮耳片,往上拉,但没有系好带子,随着讲课,头一摆动,耳片也跟着左右摇动,像个官帽似的,同学们不禁暗暗发笑,他也不觉得。他讲课认真,清楚,很吸引我们。一学期很快过去,北航第一次实行苏式五分制口试,这门课首当其冲,而我又不知为何成为第一个接受考试的人,只好听天由命了。考场设在亮果厂这4个班的小饭厅,一张大圆桌,差不多放了两圈椅子凳子。苏联专家,沈元院长都在,教师们都坐满了来学习苏联考试经验。抽题准备一下后就开始考试,我感到凌老师比我还要紧张似的。最后,他对我讲:对你的口试,我觉得可以,给你4分,你有什么意见?我想都没有想过还要征求我的意见,我表示同意,就退出到图书馆去复习下一门功课。没有多久,教务处张女士来找我,叫我跟她到考场去。
航空、航天类中文核心期刊《实验流体力学》投稿须知
2014, (4): 112-112.
摘要:
《实验流体力学》创刊于1987年,是由中国空气动力学会主办、中国空气动力研究与发展中心承办、公开发行的综合性学术兼技术刊物。本刊原名为《气动实验与测量控制》,1997年更名为《流体力学实验与测量》,2005年再次更改为现名。2010年前为季刊,后改为双月刊。主要刊载实验流体力学、特别是实验空气动力学领域的新信息、新成果和新动态。在办刊指导思想上,重视理论与实践相结合,强调刊载论文的创新性、前沿性、实用性。本刊设有研究进展、流体力学基础及应用、测量技术、实验设备与方法及信息与简讯等栏目,读者对象为从事实验流体力学及其相关学科领域的广大科技人员和院校师生。

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《实验流体力学》编辑部

2021年8月13日