2023年 第37卷 第5期
摘要：
本文通过实验方法研究了直径5 μm圆柱与来流之间的对流换热规律。实验结果表明：传热努塞尔数经温度修正后与雷诺数的0.45次方成线性关系。根据该关系，本文提出了一种免标定的热线风速测量方法。该方法的核心是利用恒温热线风速仪记录热线探头产生的热量，并根据来流气温等参数直接计算风速。与现有热线测量技术相比，该方法对来流温度变化不敏感，且可实现免标定直接测量，使用便利性得到了提升。利用本文提出的新方法对均匀来流、湍流边界层、钝体绕流等流动进行验证实验，发现测量结果与真实值存在4% ～ 23%的偏差。这些差异可能与探头大小、冷态电阻测量、导线电阻和接口接触电阻等多种因素相关。因此，本文提出的免标定热线风速测量方法具有发展潜力，但仍有一些技术细节需要解决。
本文通过实验方法研究了直径5 μm圆柱与来流之间的对流换热规律。实验结果表明：传热努塞尔数经温度修正后与雷诺数的0.45次方成线性关系。根据该关系，本文提出了一种免标定的热线风速测量方法。该方法的核心是利用恒温热线风速仪记录热线探头产生的热量，并根据来流气温等参数直接计算风速。与现有热线测量技术相比，该方法对来流温度变化不敏感，且可实现免标定直接测量，使用便利性得到了提升。利用本文提出的新方法对均匀来流、湍流边界层、钝体绕流等流动进行验证实验，发现测量结果与真实值存在4% ～ 23%的偏差。这些差异可能与探头大小、冷态电阻测量、导线电阻和接口接触电阻等多种因素相关。因此，本文提出的免标定热线风速测量方法具有发展潜力，但仍有一些技术细节需要解决。
摘要：
风洞实验中获取模型高精度压力分布至关重要，但现有测量方法仍然存在一些缺陷。为获得风洞模型的全域压力分布，本文通过集合变换卡尔曼滤波（ETKF）对风洞实验的稀疏实测数据和数值计算数据进行同化，实现了基于模型物面有限测点的全空间流场高精度重构。分别使用二维翼型RAE 2822和NACA 0012进行实验验证，RAE 2822的压力稀疏重构结果比线性理论修正更加接近实测结果，此效果在激波位置体现得尤其明显，压力系数的预测误差降低了约3%，使用ETKF修正后的迎角及马赫数集合均值计算得到的机翼升力系数和力矩系数与实验值的误差均小于1%；NACA 0012实验面向风洞测量的全场感知应用，探讨了基于少量测点进行压力重构的可行性。实验结果表明：采用机翼物面6个测点重构的压力系数，相对误差可达2.42%，且同化效果与数据点位置密切相关。
风洞实验中获取模型高精度压力分布至关重要，但现有测量方法仍然存在一些缺陷。为获得风洞模型的全域压力分布，本文通过集合变换卡尔曼滤波（ETKF）对风洞实验的稀疏实测数据和数值计算数据进行同化，实现了基于模型物面有限测点的全空间流场高精度重构。分别使用二维翼型RAE 2822和NACA 0012进行实验验证，RAE 2822的压力稀疏重构结果比线性理论修正更加接近实测结果，此效果在激波位置体现得尤其明显，压力系数的预测误差降低了约3%，使用ETKF修正后的迎角及马赫数集合均值计算得到的机翼升力系数和力矩系数与实验值的误差均小于1%；NACA 0012实验面向风洞测量的全场感知应用，探讨了基于少量测点进行压力重构的可行性。实验结果表明：采用机翼物面6个测点重构的压力系数，相对误差可达2.42%，且同化效果与数据点位置密切相关。
摘要：
燃烧场通常是气−固−液三相耦合的复杂体系，其燃烧诊断结果可支撑提高燃烧效率和降低污染物排放的研究。为了使燃烧诊断结果更加精确，先进的检测方法和检测系统必不可少。在线质谱仪具有灵敏度高、分析速度快、检测范围广等优点，可用于高温、高压等严苛条件下的燃烧场诊断，能够获得更全面的诊断信息。本文对近年来在线质谱仪质量分析器、电离源和取样系统等关键技术的发展概况进行了总结，列举了在线质谱技术在燃烧场火焰产物组分浓度和火焰温度测量中的应用，对在线质谱技术在复杂燃烧场诊断方面面临的挑战和发展前景进行了分析。
燃烧场通常是气−固−液三相耦合的复杂体系，其燃烧诊断结果可支撑提高燃烧效率和降低污染物排放的研究。为了使燃烧诊断结果更加精确，先进的检测方法和检测系统必不可少。在线质谱仪具有灵敏度高、分析速度快、检测范围广等优点，可用于高温、高压等严苛条件下的燃烧场诊断，能够获得更全面的诊断信息。本文对近年来在线质谱仪质量分析器、电离源和取样系统等关键技术的发展概况进行了总结，列举了在线质谱技术在燃烧场火焰产物组分浓度和火焰温度测量中的应用，对在线质谱技术在复杂燃烧场诊断方面面临的挑战和发展前景进行了分析。
摘要：
随着大规模、大尺度试验环境需求的持续增加，测量仪器的应用范围不断扩大。彩虹折射测量技术是一种高效的云雾颗粒测量技术，受成像系统孔径的限制，其测量距离一般在50 cm以下。而合成孔径彩虹折射测量技术利用多个波长的激光照射单个液滴产生多个彩虹信号，并将多个彩虹信号合成为一个信号，经反演得到液滴参数，可以实现超远距离液滴参数测量，将测量距离增大至1.5 m左右。为满足从大型喷雾场外部测量内部液滴参数的需求，研发了多波长合成孔径彩虹折射仪。通过模拟，验证了多波长合成孔径彩虹折射仪能够实现远距离液滴测量；通过测量不同粒径的水滴和乙醇液滴，证明了多波长合成孔径彩虹折射仪运行的可行性和准确性。粒径和折射率测量误差分别在5 μm和8 × 10−4以内（水滴和乙醇液滴粒径范围为100 ～ 200 μm）。多波长合成孔径彩虹折射仪可以突破孔径限制，拓展工业应用场景，实现液滴粒径、折射率等多参数同时在线测量。
随着大规模、大尺度试验环境需求的持续增加，测量仪器的应用范围不断扩大。彩虹折射测量技术是一种高效的云雾颗粒测量技术，受成像系统孔径的限制，其测量距离一般在50 cm以下。而合成孔径彩虹折射测量技术利用多个波长的激光照射单个液滴产生多个彩虹信号，并将多个彩虹信号合成为一个信号，经反演得到液滴参数，可以实现超远距离液滴参数测量，将测量距离增大至1.5 m左右。为满足从大型喷雾场外部测量内部液滴参数的需求，研发了多波长合成孔径彩虹折射仪。通过模拟，验证了多波长合成孔径彩虹折射仪能够实现远距离液滴测量；通过测量不同粒径的水滴和乙醇液滴，证明了多波长合成孔径彩虹折射仪运行的可行性和准确性。粒径和折射率测量误差分别在5 μm和8 × 10−4以内（水滴和乙醇液滴粒径范围为100 ～ 200 μm）。多波长合成孔径彩虹折射仪可以突破孔径限制，拓展工业应用场景，实现液滴粒径、折射率等多参数同时在线测量。
摘要：
分子标记测速法(MTV)和粒子成像测速法(PIV)常被用于流动显示和流场成像测量，但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时，示踪粒子的引入会给PIV带来速度测量系统误差，而不需引入示踪粒子的MTV因荧光寿命长度限制，主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法，本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法，并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中，通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记，随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布，进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响，实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于5～51 m/s速度的二氧化碳湍流射流中，得到了射流轴向速度的径向分布，速度测量的相对不确定度优于8%，径向空间分辨率达到107 μm，且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布，观察到了射流从势核区到充分发展区的演变。利用该方法可以获得低速气流场的高分辨瞬时速度成像，后续通过提高红外激光的脉冲功率、激发效率和重复频率，可以进一步提高该方法的测量精度、空间分辨率和时间分辨率，从而有潜力在近壁面流动、微尺度流动和大梯度流动等粒子示踪不适合用场景中提供定量流场测量的有效途径。
分子标记测速法(MTV)和粒子成像测速法(PIV)常被用于流动显示和流场成像测量，但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时，示踪粒子的引入会给PIV带来速度测量系统误差，而不需引入示踪粒子的MTV因荧光寿命长度限制，主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法，本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法，并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中，通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记，随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布，进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响，实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于5～51 m/s速度的二氧化碳湍流射流中，得到了射流轴向速度的径向分布，速度测量的相对不确定度优于8%，径向空间分辨率达到107 μm，且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布，观察到了射流从势核区到充分发展区的演变。利用该方法可以获得低速气流场的高分辨瞬时速度成像，后续通过提高红外激光的脉冲功率、激发效率和重复频率，可以进一步提高该方法的测量精度、空间分辨率和时间分辨率，从而有潜力在近壁面流动、微尺度流动和大梯度流动等粒子示踪不适合用场景中提供定量流场测量的有效途径。
摘要：
燃烧效率是航空发动机的关键气动性能参数，其准确获取对提高航空发动机性能、节省燃油、减少排放及匹配燃烧室总体性能等都具有重要意义。针对航空发动机温升燃烧效率的准确获取问题，设计了高准确度的进口参考温度传感器、出口参考温度传感器和媒介温度传感器，将出口参考温度传感器与媒介温度传感器相结合，提出并使用测点修正因子，实现了航空发动机温升燃烧效率现场校准。结果表明：所采用的温升燃烧效率校准方法合理、结果可信，参考温度传感器所得温升燃烧效率与燃气分析燃烧效率的相对偏差为0.3% ～ 2.1%。
燃烧效率是航空发动机的关键气动性能参数，其准确获取对提高航空发动机性能、节省燃油、减少排放及匹配燃烧室总体性能等都具有重要意义。针对航空发动机温升燃烧效率的准确获取问题，设计了高准确度的进口参考温度传感器、出口参考温度传感器和媒介温度传感器，将出口参考温度传感器与媒介温度传感器相结合，提出并使用测点修正因子，实现了航空发动机温升燃烧效率现场校准。结果表明：所采用的温升燃烧效率校准方法合理、结果可信，参考温度传感器所得温升燃烧效率与燃气分析燃烧效率的相对偏差为0.3% ～ 2.1%。
摘要：
直升机近地飞行时，旋翼近地面干扰诱发非定常流动，推动地面沙尘扬起，形成“沙盲”现象，严重威胁直升机飞行安全，针对“沙盲”现象开展气动基础问题研究非常重要。本文从直升机“沙盲”计算方法、试验方法、形成机理、抑制方法等4个角度介绍直升机“沙盲”现象相关研究进展。综合相关研究成果可以发现：耦合涡方法（或CFD方法）和拉格朗日沙粒跟踪方法能够实现沙云轮廓和“沙盲”现象模拟，但尚需进一步体现复杂沙床表面、脉动湍流及沙粒迁移、聚集、起跳和扬起等关键因素；基于高速PIV和相机搭建的“沙盲”试验系统能够获得沙云形态数据，但仍需进一步研究沙云两相流测试技术和沙云空间浓度测试技术，深入探索沙粒驱动机制和“沙盲”演化机理，以及能够有效抑制“沙盲”现象的方法和技术途径。
直升机近地飞行时，旋翼近地面干扰诱发非定常流动，推动地面沙尘扬起，形成“沙盲”现象，严重威胁直升机飞行安全，针对“沙盲”现象开展气动基础问题研究非常重要。本文从直升机“沙盲”计算方法、试验方法、形成机理、抑制方法等4个角度介绍直升机“沙盲”现象相关研究进展。综合相关研究成果可以发现：耦合涡方法（或CFD方法）和拉格朗日沙粒跟踪方法能够实现沙云轮廓和“沙盲”现象模拟，但尚需进一步体现复杂沙床表面、脉动湍流及沙粒迁移、聚集、起跳和扬起等关键因素；基于高速PIV和相机搭建的“沙盲”试验系统能够获得沙云形态数据，但仍需进一步研究沙云两相流测试技术和沙云空间浓度测试技术，深入探索沙粒驱动机制和“沙盲”演化机理，以及能够有效抑制“沙盲”现象的方法和技术途径。
摘要：
本文对直升机涡环状态边界进行了系统的分析与研究。首先，剖析了涡环状态事故的成因，阐述了其在飞行特性、旋翼性能、桨盘入流、涡系结构等方面的物理机制，指出涡环状态下安全隐患的主要诱因是桨尖涡受挤压形成集中涡，使桨盘面上诱导入流相对垂向来流占优，造成旋翼拉力负阻尼与性能损失，导致浮沉运动失稳。然后，对比了各类涡环状态边界的差异性和适用性，指出现有边界预测模型存在建模方式主观性强和试验数据离散度高的问题，并提出了改进思路。最后，设计并开展了模拟下降飞行的旋翼风洞试验。试验结果显示：涡环状态下出现了旋翼拉力负阻尼、拉力损失和功率沉陷现象，旋翼拉力损失最高达30%，旋翼产生维持机体重量拉力的需用功率约为悬停功率的 160%。以特情防范实践中关注的旋翼拉力负阻尼和拉力性能损失为指标，从试验结果中提取了涡环状态边界临界速度离散点。在涡环状态边界预测模型构建中区分水平来流、垂向来流和诱导入流对桨尖涡驱动作用的强弱，并计入不同前进比下动量理论的修正和桨尖涡运动阈值的差异，基于试验值采用最小二乘法确定了模型参数，建立了半经验化的涡环状态边界预测模型，模型预测结果与风洞试验结果吻合较好，且符合飞行试验规律。本文对认识涡环状态特情和预防涡环状态事故具有现实意义。
本文对直升机涡环状态边界进行了系统的分析与研究。首先，剖析了涡环状态事故的成因，阐述了其在飞行特性、旋翼性能、桨盘入流、涡系结构等方面的物理机制，指出涡环状态下安全隐患的主要诱因是桨尖涡受挤压形成集中涡，使桨盘面上诱导入流相对垂向来流占优，造成旋翼拉力负阻尼与性能损失，导致浮沉运动失稳。然后，对比了各类涡环状态边界的差异性和适用性，指出现有边界预测模型存在建模方式主观性强和试验数据离散度高的问题，并提出了改进思路。最后，设计并开展了模拟下降飞行的旋翼风洞试验。试验结果显示：涡环状态下出现了旋翼拉力负阻尼、拉力损失和功率沉陷现象，旋翼拉力损失最高达30%，旋翼产生维持机体重量拉力的需用功率约为悬停功率的 160%。以特情防范实践中关注的旋翼拉力负阻尼和拉力性能损失为指标，从试验结果中提取了涡环状态边界临界速度离散点。在涡环状态边界预测模型构建中区分水平来流、垂向来流和诱导入流对桨尖涡驱动作用的强弱，并计入不同前进比下动量理论的修正和桨尖涡运动阈值的差异，基于试验值采用最小二乘法确定了模型参数，建立了半经验化的涡环状态边界预测模型，模型预测结果与风洞试验结果吻合较好，且符合飞行试验规律。本文对认识涡环状态特情和预防涡环状态事故具有现实意义。
摘要：
地表剪切力是风沙运动的关键驱动力，在风沙运动研究中非常重要，但目前针对风沙流环境地表剪切力的实验测量却较为匮乏，已经成为风沙运动研究深入发展的瓶颈。本文介绍了一种基于热膜技术的适用于风沙流环境地表剪切力精确测量的方法，使用热膜传感器和二维热线探头对净风条件下的地表剪切力进行了测量，结果显示：热膜传感器对地表剪切力有较好的响应，其与二维热线探头对摩阻风速的测量结果相差小于6.6%。热膜传感器对方柱绕流条件下地表剪切力的测量结果与OpenFOAM数值模拟结果具有较好的一致性，进一步证明了热膜传感器测量地表剪切力的可行性。热膜传感器的沙粒撞击实验结果表明：沙粒撞击对热膜信号的影响可以忽略，在风沙流环境中可以采用热膜传感器对地表剪切力进行有效测量。基于该技术测量了风沙流环境地表剪切力沿流向的空间分布特征，采用实测方式获得了风沙流环境地表剪切力的空间分布规律。
地表剪切力是风沙运动的关键驱动力，在风沙运动研究中非常重要，但目前针对风沙流环境地表剪切力的实验测量却较为匮乏，已经成为风沙运动研究深入发展的瓶颈。本文介绍了一种基于热膜技术的适用于风沙流环境地表剪切力精确测量的方法，使用热膜传感器和二维热线探头对净风条件下的地表剪切力进行了测量，结果显示：热膜传感器对地表剪切力有较好的响应，其与二维热线探头对摩阻风速的测量结果相差小于6.6%。热膜传感器对方柱绕流条件下地表剪切力的测量结果与OpenFOAM数值模拟结果具有较好的一致性，进一步证明了热膜传感器测量地表剪切力的可行性。热膜传感器的沙粒撞击实验结果表明：沙粒撞击对热膜信号的影响可以忽略，在风沙流环境中可以采用热膜传感器对地表剪切力进行有效测量。基于该技术测量了风沙流环境地表剪切力沿流向的空间分布特征，采用实测方式获得了风沙流环境地表剪切力的空间分布规律。
2023, 37(5): 101-110.
DOI: 10.11729/syltlx20230003
摘要：
超临界流体是一种极端条件下（温度与压力均处于临界点以上）的非常态流体。浮力驱动的超临界流体Rayleigh–Bénard(RB)对流则是一种新的非线性热对流体系，其浮力作用不符合Boussinesq近似，且在温差的作用下物性在临界点附近出现剧烈畸变并伴随着丰富的流动与相变耦合过程。本实验设计了可承载超临界二氧化碳（SCO2）的透明蓝宝石压力容器，建立竖直温度梯度作用下的超临界流体RB对流，观测不同温差作用下的流动结构和超临界相变过程并通过图像互相关算法计算“雾化”液滴的速度场。实验采用铂电阻测温，并精确控制容器上下端的温差，研究SCO2在线性降温过程中多种流态与速度场的演化。在线性降温过程中，SCO2经历超临界流动、跨临界流动和气液两相流动3个典型过程。跨临界流动是相变与浮力热对流的强耦合过程，导致超临界二氧化碳RB对流具有多态的非稳态流动。实验结果表明：超临界RB对流对温差极为敏感，温差越大则超临界域内的对流越剧烈；随着温度的降低，雾化的液滴不断凝聚，形成丰富的多层流动结构，并最终向气液两相流动演化。
超临界流体是一种极端条件下（温度与压力均处于临界点以上）的非常态流体。浮力驱动的超临界流体Rayleigh–Bénard(RB)对流则是一种新的非线性热对流体系，其浮力作用不符合Boussinesq近似，且在温差的作用下物性在临界点附近出现剧烈畸变并伴随着丰富的流动与相变耦合过程。本实验设计了可承载超临界二氧化碳（SCO2）的透明蓝宝石压力容器，建立竖直温度梯度作用下的超临界流体RB对流，观测不同温差作用下的流动结构和超临界相变过程并通过图像互相关算法计算“雾化”液滴的速度场。实验采用铂电阻测温，并精确控制容器上下端的温差，研究SCO2在线性降温过程中多种流态与速度场的演化。在线性降温过程中，SCO2经历超临界流动、跨临界流动和气液两相流动3个典型过程。跨临界流动是相变与浮力热对流的强耦合过程，导致超临界二氧化碳RB对流具有多态的非稳态流动。实验结果表明：超临界RB对流对温差极为敏感，温差越大则超临界域内的对流越剧烈；随着温度的降低，雾化的液滴不断凝聚，形成丰富的多层流动结构，并最终向气液两相流动演化。
摘要：
空化流动是水动力学领域一种特有的流动现象，空化区内部水汽掺混情况复杂，需要借助特殊实验测量手段来获取其中混合介质特性。本文回顾了用于空化区多相混合介质测量的非接触式和接触式实验方法，包括电离辐射、内窥技术、电阻探针和光纤探针等。相比于对实验条件要求较高的非接触式测量技术，接触式探针测量技术更加简便和稳定，可以得到单个测点位置的含汽率、汽泡速度和汽泡尺度等信息。此外，本文还介绍了近年来多相流探针技术在空化流测量中的应用。研究者们分别采用电阻探针和光纤探针，研究了空泡水筒中楔形平板空化和水翼空化内部的介质特性，得到的结果主要包括平均含汽率和汽泡尺度统计分布两方面，发现了云空化区内含汽率高低与空化数密切相关，且楔形平板空化流动和水翼空化流动中存在非常相似的汽泡尺度分布特征。
空化流动是水动力学领域一种特有的流动现象，空化区内部水汽掺混情况复杂，需要借助特殊实验测量手段来获取其中混合介质特性。本文回顾了用于空化区多相混合介质测量的非接触式和接触式实验方法，包括电离辐射、内窥技术、电阻探针和光纤探针等。相比于对实验条件要求较高的非接触式测量技术，接触式探针测量技术更加简便和稳定，可以得到单个测点位置的含汽率、汽泡速度和汽泡尺度等信息。此外，本文还介绍了近年来多相流探针技术在空化流测量中的应用。研究者们分别采用电阻探针和光纤探针，研究了空泡水筒中楔形平板空化和水翼空化内部的介质特性，得到的结果主要包括平均含汽率和汽泡尺度统计分布两方面，发现了云空化区内含汽率高低与空化数密切相关，且楔形平板空化流动和水翼空化流动中存在非常相似的汽泡尺度分布特征。
