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2017年  第31卷  第4期

研究进展
结冰风洞过冷大水滴结冰条件模拟能力综述
符澄, 宋文萍, 彭强, 廖达雄, 王超
2017, 31(4): 1-7. doi: 10.11729/syltlx20160118
摘要(16) HTML (16) PDF(4)
摘要:
结冰风洞是进行飞行器等结冰现象及防/除冰装置研究的重要地面模拟设备。随着过冷大水滴结冰现象对飞行性能及防除冰装置设计影响的重要性日益显现,以及过冷大水滴结冰条件适航标准的提出,亟需在结冰风洞中发展SLD结冰条件的模拟能力。本文分析了CFR14-25部附录O中所确定的SLD结冰条件及其对结冰风洞的相关模拟能力所提出的要求;介绍了目前国外几座具有典型代表意义的结冰风洞及气动中心的结冰风洞在发展SLD结冰条件模拟能力方面所取得的成果及所面临的问题。本文认为过冷大水滴的产生及其与云雾颗粒在风洞内的湍流混合、超大尺度的水滴在气流中的过冷以及宽滴谱范围的颗粒度分布测量等问题,是在发展SLD结冰条件模拟能力方面所面临的关键技术问题,提出了中国空气动力研究与发展中心在发展结冰风洞SLD模拟能力方面所采取的技术路线及关键技术解决方法。
流体推力矢量技术研究综述
肖中云, 江雄, 牟斌, 陈作斌
2017, 31(4): 8-15. doi: 10.11729/syltlx20160207
摘要(75) HTML (34) PDF(4)
摘要:
流体推力矢量技术不采用机械偏转,以流动控制方式实现推力转向,有望成为一种更加高效的推力矢量控制方法。目前实现流体推力矢量的主要方法有激波矢量法、双喉道方法、逆流控制方法和同向流方法等,对以上方法选择具有共性的计算与试验数据,对喷管的推力矢量效率、推力损失和流量系数进行了对比分析。结果表明激波矢量方法、双喉道方法和逆流方法能够在大落压比范围内(NPR=1.89~10)实现推力矢量控制,并且具有俯仰/偏航耦合甚至多轴控制的潜力。相比激波矢量法和逆流方法,双喉道和同向流方法在减少推力损失和提高矢量效率上占有优势,不足之处是双喉道方法对喉道进行控制限制了流量系数,而同向流方法的适用落压比范围受到严重限制。为寻求更加高效的矢量喷管技术,国内外相继发展了多种新概念流体推力矢量方法,对每种方法的控制原理、潜在优势和存在的问题挑战进行了探讨,新方法着眼于从喷流出口下游进行控制,对主流的干扰很小,值得深入研究,同时也为流体推力矢量的下一步研究方向提供了借鉴参考。
基础研究及应用
基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势
田维芳, 郑旭, 李战华, 徐征
2017, 31(4): 16-21. doi: 10.11729/syltlx20160163
摘要(20) HTML (10) PDF(0)
摘要:
表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段,并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中,测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力,尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数,是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外,在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用,可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势,从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。
发动机引流对飞机气动力的影响试验研究
张超, 朱纪洪, 吴林峰, 李环宇, 李春文
2017, 31(4): 22-27, 33. doi: 10.11729/syltlx20160154
摘要(21) HTML (11) PDF(3)
摘要:
飞机气动力特性是飞机特性的基本表征。发动机的引流对气动力的影响直接关系到气动力建模的准确性、飞行品质和飞行安全。将真实涡喷发动机安装在某缩比验证飞机内,较逼真地研究了发动机推力大小、空气流动速度大小和方向等对气动力的影响。结果表明,发动机引流对验证机气动力的影响主要体现在轴向力、法向力和俯仰力矩上,发动机推力越大,引流效果越明显,且在超过失速迎角后的某迎角处法向力和俯仰力矩的增量达到最大值;而在不同侧滑角、一定风速范围内以及舵面偏转等情况下,发动机引流引起的气动力增量主要表现在失速迎角附近。因此在进行大迎角机动研究时,必须考虑发动机引流对气动力的影响。
电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断
曾徽, 陈连忠, 林鑫, 欧东斌, 董永辉
2017, 31(4): 28-33. doi: 10.11729/syltlx20160179
摘要(23) HTML (12) PDF(0)
摘要:
气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O(777.19nm)谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气(>5000K)试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H0=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在(1.1~1.2)×1018cm-3之间,低能级5S20粒子数密度在(1.0~1.6)×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。
民用飞机静压孔气动布局设计
杨慧, 杨士普, 黄頔, 孙一峰
2017, 31(4): 34-38, 58. doi: 10.11729/syltlx20160109
摘要(9) HTML (2) PDF(2)
摘要:
民用飞机根据静压、总压等基本测量参数,通过大气数据计算机解算得到飞机飞行的高度、速度等,因此静压测量的精确度对飞机安全性至关重要,而静压孔的气动布局直接关系到静压测量精度。对于亚声速民机,机身表面静压孔测量静压主要受飞机马赫数、迎角和构型的影响。根据CFD计算结果,采用均方差方法,确定飞机机身表面静压随马赫数和迎角变化不敏感的区域,结合飞机实际机体结构或其他设备布置的限制,确定了静压孔布局位置。采用风洞试验方法,验证静压孔测量特性,试验测量襟缝翼、扰流板、起落架以及地面效应对静压孔测量的影响量,为飞机静压修正提供重要输入。
旋翼悬停状态桨尖涡测量方法研究
刘平安, 林永峰, 陈垚峰, 袁明川
2017, 31(4): 39-44. doi: 10.11729/syltlx20160186
摘要(16) HTML (11) PDF(2)
摘要:
为了研究旋翼桨尖涡涡核结构,采用粒子图像测速(PIV)技术对4m直径桨尖开孔旋翼在悬停状态的桨尖涡流场进行了详细测量,获得了旋翼145°方位角处桨尖涡附近流场的速度分布,以及桨尖涡的涡核半径、旋转速度和涡量分布等试验数据,并研究了PIV分析中选取不同审查窗尺寸对桨尖涡结构测量结果的影响。为了避免桨尖涡位置不稳定的影响,提出了基于桨尖涡流场速度特征的条件平均法,并与简单平均法和基于涡量峰值的条件平均法进行了对比,验证了对桨尖涡流场进行条件平均的必要性,以及所提出的条件平均法的有效性。
不同盐度下海水表面张力系数的表征研究
张志友, 金良安, 苑志江, 何升阳
2017, 31(4): 45-50. doi: 10.11729/syltlx20160164
摘要(17) HTML (12) PDF(0)
摘要:
为研究不同盐度下海水表面张力系数的表征,并精简其表面张力系数的测定手段,根据气泡在海水中的受力情况,建立了海水中的气泡脱离体积及瞬时稳态上浮速度模型。通过搭建气体水下排放试验台,使用常压空气和6种不同盐度的海水分别作为实验的气相和液相,将气泡划分为低雷诺数缓慢上浮及高雷诺数快速上浮2种运动状态,并分别进行实验。用高速摄影技术对气泡运动进行实验观测,通过MATLAB编程对拍摄的图像进行分析处理,测定气泡脱离体积及瞬时稳态上浮速度。将实验数据代入到所建立的模型中,获得不同盐度下海水表面张力系数表征函数。结果表示,当气泡在非射流情况下生成及上浮时,气泡处于小半径慢速运动状态,属于低雷诺数运动过程,海水盐度与表面张力系数拟合效果理想,模型计算值与实验数据符合良好,偏离程度不到2%。
测量技术
脉冲燃烧风洞测力系统动态标定方法
武龙, 王锋, 乐嘉陵
2017, 31(4): 51-58. doi: 10.11729/syltlx20160158
摘要(17) HTML (14) PDF(2)
摘要:
针对脉冲燃烧风洞中的测力系统,提出了一种动态标定方法。利用力锤在模型表面上不同位置,沿不同方向施加一系列集中载荷,由输入载荷和天平输出辨识出该表面对应的单位脉冲响应函数(UIRF),再将各表面对应的UIRF加权得到系统的UIRF,加权系数由试验状态下各表面的压力分布确定。辨识某表面对应的UIRF时,通过将其参数化使反卷积问题转化为参数优化问题以回避问题的病态特性。求解参数优化问题时,先用遗传算法搜索到参数全局最优解的近似值,再以此作为单纯形方法的初值继续优化得到参数最优值。在ANSYS中模拟了动态标定过程,考虑了实际试验中输出应变含有较大噪声的情况,验证了这种动态标定方法的准确性。
基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究
贾巍, 刘维亮, 赵忠良, 苗磊, 谢斌, 米鹏, 杨洪胜, 王树民, 陈竹
2017, 31(4): 59-63. doi: 10.11729/syltlx20160107
摘要(10) HTML (3) PDF(2)
摘要:
传统的大展弦比机翼片式铰链力矩天平在应用过程中存在测量精准度不高的问题。该问题由机翼受载变形引发的附加干扰信号产生。针对此现象,为提高大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩风洞试验数据的精度与准度,探索了一种"利用一组信号修正天平信号"的外置电桥修正法,详细阐述了其工作原理以及方法步骤。以某型号风洞试验为例,通过在机翼上布置外置电桥,将修正后测量结果与未修正的测量结果进行对比。由对比结果可知:未经信号修正的天平测量误差最高达到54%,将信号修正后其测量误差降低为6%,天平测量准度有所提高。本研究为大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩天平的应用提供新思路。
实验设备及方法
多风洞共享的通用型试验数据处理系统
邓晓曼, 范金磊, 余立, 李春彦, 何福
2017, 31(4): 64-70. doi: 10.11729/syltlx20170051
摘要(54) HTML (38) PDF(2)
摘要:
为建立规范高效的风洞试验数据系统,提高数据处理与分析的可靠性和自动化、智能化水平,制定完善了试验数据处理方法、流程、符号接口等规范,采用面向服务的软件架构及异构数据存储管理、基于动态编译的自定义公式扩展、基于元数据与模板的文件可视化排版等技术,解决了处理方法与流程控制、数据流转与输出等通用化的关键问题,建立了多风洞共享、多试验类型通用的试验数据处理与分析系统。应用3年来,完成高速所6座风洞占试验总车次71.2%的数据处理,覆盖单/多天平测力、测压、通气测力、混合测力测压、喷流及部分特种试验等类型,系统具有规范、高效、开放的特点,是一种具有推广应用价值的风洞试验数据系统解决方案。
基于响应面法的低温风洞扩散段热力学模型修正
麻越垠, 聂旭涛, 陈万华, 姚程伟, 张伟
2017, 31(4): 71-78. doi: 10.11729/syltlx20160133
摘要(30) HTML (20) PDF(1)
摘要:
低温风洞运行过程消耗大量液氮和电力,洞体结构产生附加热应力和热变形,建立可靠的低温风洞热力学模型对研究风洞运行安全性和经济性是必不可少的。以低温风洞扩散段为方法研究对象,建立有限元热力学模型,为提高热力学模型和实际模型的相关性,使用响应面法对有限元热力学模型多个参数进行修正。通过对比分析温度、应力监测点试验数据和仿真数据的差别,确定驻室锥形体内表面对流换热系数为待修正参数;使用中心复合试验设计生成有限元热分析样本空间,以温度、应力监测点试验数据和仿真数据的残差均方和为考核指标,在样本空间内对残差均方和进行非线性回归分析,建立残差均方和的响应面模型;以所有监测点残差均方和总和为目标函数,在样本空间内进行多目标非线性优化分析,得到最优解;验证修正后的热力学模型,结果表明:(1)基于响应面法的热力学模型修正是可行的;(2)修正后的热力学模型分析数据与试验数据吻合性提高,并且适用于其它降温试验。
高超声速风洞真空系统临界压力比实验研究
陈爱国, 李震乾, 齐大伟, 龙正义, 杨彦广
2017, 31(4): 79-83, 96. doi: 10.11729/syltlx20160115
摘要(24) HTML (14) PDF(3)
摘要:
临界压力是暂冲式高超声速风洞实验段流场破坏时真空罐中的压力值,临界压力比影响Ma10以上大型高超声速风洞真空系统的设计。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma10以上喷管的实验,测量了风洞实验段静压、流场的皮托压力、扩压器内表面前后压力、真空罐压力等参数,了解了各部位流场随真空罐压力升高的变化过程,获得了现有风洞Ma10、Ma12和Ma16各自的流场维持所需临界压力比分别为0.34、0.35和0.5。采用FASTRAN软件模拟了风洞流场建立到破坏的非定常过程,计算结果与实验结果较为一致。临界压力比的获得为类似大型高超声速风洞真空系统设计提供了关键基础数据。
非催化壁材料在非平衡流场条件下的热考核试验方法研究
于明星, 白书欣, 徐晓亮, 曹占伟
2017, 31(4): 84-89. doi: 10.11729/syltlx20170084
摘要(18) HTML (22) PDF(0)
摘要:
针对电弧风洞试验条件下非催化壁防热材料在非平衡流场中存在的防热性能"欠考核"问题,提出了有效考核方法。以典型陶瓷基复合材料尖劈外形试件为例,采用CFD数值模拟与试验状态调试相结合的方法,对典型电弧风洞试验条件下完全催化壁和非催化壁材料的热流进行了数值模拟,并结合热流实测结果,确定了风洞试验状态并完成了试验,实现了对该类热防护材料防热性能的有效考核,为非催化壁材料防热性能试验"欠考核"问题提供了解决途径。
Φ0.5m高超声速风洞气动力试验不确定评估
刘春风, 熊琳
2017, 31(4): 90-96. doi: 10.11729/syltlx20160121
摘要(7) HTML (6) PDF(3)
摘要:
基于AGARD(AGARD-AR-304)和AIAA(AIAA S-071A-1995)的风洞试验不确定度评估标准,对评估流程进行了扩展,应用到Φ0.5m高超声速风洞。具体包括:根据试验流程辨识得到风洞试验的不确定度源;对试验的自变量进行不确定度的评估,包括其偏差极限和精度极限的具体值;最后基于标准的方法评估了显性自变量引入的不确定度,并运用线性插值的方法评估了迎角引入的不确定度。通过一升力体外形飞行器的评估结果,发现系统误差引入的不确定度占主导地位;CNCACm 3个大量的不确定度值在不同迎角时有显著差异,并且Cm的不确定度相对较大;不确定度敏感性结果显示天平和总压传感器引入的不确定度起主导作用。

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《实验流体力学》编辑部

2021年8月13日