实验流体力学

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杨文青, 宋笔锋, 宋文萍, 陈利丽

2015, (3): 1-10. doi: 10.11729/syltlx2015ty01

摘要(275) PDF(30)

摘要:
对仿生微型扑翼飞行器相关的空气动力学问题的研究进展进行了综述,并分析了未来发展面临的机遇与挑战。与自然界的飞行生物相比,目前仿生扑翼飞行器的飞行能力还很笨拙,距离高仿生还有较大距离。其中,所涉及的低雷诺数非定常空气动力学问题成为研究者在深入研究时面临的一个主要难题,关键在于数值模拟和风洞实验均难以准确模拟飞行中的实际状态。具体面临的难题主要包括:(1)仿生微型扑翼飞行器所处的雷诺数为103~105量级,属于对转捩与湍流非常敏感的区域,相关的气动机理复杂;(2)柔性翼在飞行中密切相关的动气动弹性问题;(3)高机动飞行导致的动气动弹性耦合飞行力学问题;(4)扑翼飞行的复杂姿态对飞控系统的挑战及反馈耦合算法的设计等。这些层层深入的多学科耦合难题导致了目前具备的研究手段难以为仿生扑翼飞行器的研究提供定量的分析与改进设计。在解决上述难题的基础上,未来可进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对仿生柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生扑翼飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现高仿生外形和性能的人造飞鸟或人造飞虫。

分子标记速度测量技术及应用研究进展

叶景峰, 胡志云, 刘晶儒, 宋文艳

2015, (3): 11-17,61. doi: 10.11729/syltlx20140079

摘要(189) PDF(16)

摘要:
分子标记示踪技术是用于流场显示和速度测量的一类激光诊断技术。通过分析目前常用的分子标记方法、分子标记显示方法以及数据处理方法及其研究进展,对分子标记示踪测量技术进行了较为全面的介绍;列举了OH 和NO 分子标记示踪技术在超声速流动、边界层流动及发动机尾流的测量应用实例,并对实际应用中反应流场背景干扰、测量环境的强振动和内流场测量中光学窗口的影响进行了讨论和分析。

直升机气动噪声研究进展

陈平剑, 仲唯贵, 段广战

2015, (3): 18-24. doi: 10.11729/syltlx20140124

摘要(219) PDF(23)

摘要:
对直升机气动噪声的研究进展进行了综述,内容包括试验技术、理论分析方法和噪声抑制技术。声学风洞试验是直升机气动噪声研究的基本手段,其中非定常载荷测试、流场显示和声源定位等先进测试技术已实现应用;飞行试验在直升机噪声适航标准完善和噪声控制技术研究等方面已成为必不可少的研究和验证手段。直升机气动噪声的理论体系不断完善,包括声类比法、Kirchhoff/CFD 混合法等旋翼气动噪声分析方法都已形成分析程序,成为直升机研发的有效工具。直升机气动噪声的抑制仍然以旋翼桨尖设计为主,飞行轨迹优化、旋翼噪声主动控制等新技术已实现飞行验证,但尚未进行型号应用。在用户和市场需求的推动下,在新型直升机的研发中,引入气动噪声的抑制技术将是必然的发展趋势。

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

刘磊, 桂业伟, 杜雁霞, 耿湘人, 王安龄

2015, (3): 25-29. doi: 10.11729/syltlx20140120

摘要(122) PDF(6)

摘要:
高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

符澄, 彭强, 张海洋, 王超, 吴盛豪

2015, (3): 30-34. doi: 10.11729/syltlx20140064

摘要(246) PDF(15)

摘要:
喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备,其雾化喷嘴的性能直接影响结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m 结冰风洞和喷嘴低压试验台上,针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究,测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明:风洞的气流环境对云雾粒子的 MVD值影响较大;风洞的气流速度及粒子的初始温度越高,云雾粒子的雷诺数越大,其蒸发速率越大;环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大,随着环境压力的降低,喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄,但对喷嘴的流量影响不大。

基于测力和测压试验的气动导纳识别结果比较

檀忠旭, 朱乐东, 徐自然, 陈伟

2015, (3): 35-40. doi: 10.11729/syltlx20140086

摘要(92) PDF(4)

摘要:
气动导纳是大跨度桥梁抖振分析的重要参数,通常通过格栅湍流场测力或测压风洞试验进行识别。然而,测力试验中天平和节段模型系统的固有振动和测压试验中测压管路系统的频响效应都会对气动导纳的识别结果产生影响。本文通过格栅湍流场测力和测压试验、采用抖振力自谱和抖振力脉动风交叉谱综合残量最小二乘法识别了准平板断面的气动导纳,其中,在基于测力试验的气动导纳识别中考虑了模型抖振力跨向不完全相关效应的影响,在基于测压试验的气动导纳识别中考虑了按Bergh-Tij deman理论公式修正或者不修正测压管路系统频响特性影响的2种情况。在此基础上,通过考察气动导纳实验识别结果之间的差别及其与平板断面气动导纳理论解Sears函数之间的差别,研究了天平模型系统固有振动以及测压管路系统频响效应对识别结果的影响。结果表明:天平模型系统的共振会显著放大气动导纳的识别结果;而由于测压管路的固有频率一般要显著高于天平模型系统的固有频率,因此,与基于测力试验得到的气动导纳相比,基于测压试验所得气动导纳总体上更加合理,可用导纳的折算频率范围更广。此外,在一般大跨度桥梁抖振分析所关心的折算频率范围内,考虑测压管路频响特性修正后,气动导纳有一定降低。

水上飞机在波浪上运动响应特性试验研究

黄淼, 吴彬, 蒋荣, 焦俊

2015, (3): 41-46. doi: 10.11729/syltlx20140104

摘要(126) PDF(8)

摘要:
开展水上飞机带动力模型规则波试验,对试验装置、采集方式进行了设计,解决了常规采集方式存在信号阶跃式突变的技术难题。通过试验得到了模型在波浪上运动时纵摇、升沉和过载响应曲线随遭遇频率、波长的变化规律。结果表明:纵摇和升沉运动响应曲线具有单峰值的特点,在波长为1.5~3.5倍机身长度时达到峰值,过载响应曲线具有双峰值,第一谐振波长在1.5~3.5倍机身长度范围内,第二谐振波长为0.5倍机身长度。根据模型运动响应特性,对飞机在涌浪上的运动响应进行了分析,对飞机在涌浪上起降使用环境的选择提出了参考意见。

气液两相流在180°弯头上T形管处相分离的实验研究

杨利民, 冯妍, 吕金萍, 王红

2015, (3): 47-53. doi: 10.11729/syltlx20140073

摘要(115) PDF(3)

摘要:
利用180°弯头上的T形管考察气液两相流的相分离行为,以加深对两相流在T形管处相分离机理的理解。以空气和水为两相流工作介质,在鼓泡流和环状流条件下,入口主管分别以垂直向上和垂直向下2种方式放置,通过改变气液入口流型和流速,考察了180°弯头上T形管处合力的大小和流型的变化,测定了该处的相分离数据。实验结果表明:入口主管垂直向上时,在鼓泡流条件下,气体主要受液体的浮力作用,液相主要受重力作用,侧支管以气相采出占优,增加气液流速对气相采出不利;而在环状流条件下,液体离心力占主导地位,侧支管以液相采出占优为主,气液两相流速增加对相分离有利;主管垂直向下时,在环状流条件下,以液体向下的离心力和重力占主导地位,侧支管中液相采出占优,增大气体流速或者液体流速,不利于液相在侧支管的采出。利用T形管处的合力大小、入口流型和两相入口动量能有效解释相分离结果的变化规律。

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

向星居, 熊红亮, 袁明磊, 于靖波, 陈柳生, 王智栋

2015, (3): 54-61. doi: 10.11729/syltlx20140108

摘要(103) PDF(16)

摘要:
压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力,航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术,与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团,稳定性较强,持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式,并设计制作了2套快响应时间动态标定设备,测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的 PSP 试验,利用高速相机采集图像数据后,经过批量数据处理,采集频率为250Hz,得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析,利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明,快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构,并能同时得到很好的定量压力数据。

电弧风洞中基于TDLAS的气体温度和氧原子浓度测试

欧东斌, 陈连忠, 董永晖, 林鑫, 李飞, 余西龙

2015, (3): 62-67. doi: 10.11729/syltlx20140071

摘要(220) PDF(28)

摘要:
电弧风洞是对防热材料/结构进行地面考核的关键设备,其流场参数是评估设备性能和品质的关键数据。由于高温气流的恶劣环境,尚无有效诊断手段。本文使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS),针对气流中氧原子,选用氧原子特征吸收谱线(λ=777.2nm),测量了电弧风洞中水冷平头圆柱体模型脱体激波后的气体温度和氧原子数密度,试验测量与工程计算结果较为一致。试验显示出TDLAS具有高温电弧风洞应用的潜在优势。

基于光流算法的粒子图像测速技术研究

王宏伟, 黄湛

2015, (3): 68-75. doi: 10.11729/syltlx20140115

摘要(130) PDF(11)

摘要:
光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序,然后通过3种典型人工位移图像对光流计算程序进行验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场,最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果进行比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。

复合式结构微量滚转力矩六分量天平研究

王玉花, 刘伟, 谢斌, 张悦

2015, (3): 76-79,98. doi: 10.11729/syltlx20140087

摘要(158) PDF(4)

摘要:
微量滚转力矩测力试验是一项非常重要的风洞试验。相对于常规测力试验,微量滚转力矩测力试验的滚转力矩载荷小,量值在0.5N·m以下,同时滚转力矩载荷与其它的气动载荷量值相差较大,采用应变天平测量微量滚转力矩,很难实现六分量天平结构设计。针对这一问题我们开展了六分量微量滚转力矩天平的研究工作,通过优化天平结构,在现有技术手段的基础上提出了复合式六分量天平结构设计解决方案,不仅实现了六分量微量滚转力矩天平结构设计,而且其滚转力矩系数mx0的测量误差Δmx0<1.1×10-6。本文主要介绍了复合式六分量微量滚转力矩天平研究的关键技术及主要技术措施,并给出了天平分析计算、静态校准和试验测量结果。

椭圆喷管设计与数值模拟

隆永胜, 胡振震, 袁竭, 李海燕

2015, (3): 80-86. doi: 10.11729/syltlx20150045

摘要(248) PDF(18)

摘要:
提出了一种椭圆喷管的设计思路,并对椭圆喷管流场与矩形喷管流场进行了对比分析。通过数值计算表明,在相同的驻室参数、相同的长度和出口面积条件下,椭圆喷管出口马赫数略高于矩形喷管。湍流和高温真实气体效应均降低了喷管的有效面积比,改变了喷管流场的膨胀波系,通过选择合适的喷管出口位置可以获得较好的试验均匀区。椭圆喷管作为高超声速风洞特种试验装置,可以有效利用加热器的能量,提高设备的参数模拟能力,可适用于大尺寸扁平状前缘、舵、翼等模型的防热试验和大宽高比的冲压发动机试验研究。

一种新的临近空间螺旋桨地面试验方法

李喜乐, 李广佳, 周波, 朱文国, 孙凯军

2015, (3): 87-92. doi: 10.11729/syltlx20140138

摘要(176) PDF(10)

摘要:
提出了一种采用轨道拖车搭载螺旋桨的临近空间螺旋桨地面试验方法。利用中航工业特种飞行器研究所的高精度拖车试验台控制螺旋桨前进速度,螺旋桨转速由伺服电机控制。针对新设计的临近空间低雷诺数螺旋桨,依据等前进比和等雷诺数相似准则,进行了螺旋桨在不同飞行高度下气动特性的地面试验研究。通过试验数据与片条理论及CFD方法计算结果的对比分析,验证试验方法的可行性及螺旋桨气动性能。结果表明:(1)由于桨尖马赫数较低,等前进比和等雷诺数相似准则适用于新设计的临近空间螺旋桨地面试验;(2)不同飞行高度下螺旋桨地面试验数据与计算结果吻合良好,说明提出的方法是可行的,可为同类螺旋桨试验提供参考。

航空声学引导风洞收缩段边界层修正的数值模拟和实验研究

刘卫红, 姚磊, 余永生, 吕金磊, 屈晓力, 朱博

2015, (3): 93-98. doi: 10.11729/syltlx20140067

摘要(152) PDF(4)

摘要:
根据数值分析得到的低速风洞收缩段边界层位移厚度分布通用曲线,针对航空声学引导风洞收缩段,推导得出收缩段边界层位移厚度分布曲线,并对收缩段型面进行修正设计,给出了修正前后的型面坐标偏差,设计加工了试验件,并进行了收缩段修正前后流场的数值模拟和实验验证。数值模拟结果表明:尽管航空声学引导风洞收缩段的边界层很薄,最大位移厚度只相当于试验段水力直径的0.5%左右,但修正效果明显。对于开口和闭口试验段流场,在收缩段型面设计时考虑粘性影响,进行边界层修正,均可显著降低试验段的动压场系数;减小气流偏角,提高试验段流场品质,有利于风洞部段的精细化设计。收缩段型面出口由于逆压梯度的存在,壁面速度过冲,气流均匀性较差,但进入平直段后,动压不均匀度及气流偏角迅速下降,因此收缩段后16.7%长度的平直段对于改善试验段流场品质很关键。在航空声学引导风洞上,采用移测架、皮托管和热线风速仪进行了修正前后收缩段、试验段动压和速度值测量,测量结果也验证了边界层修正的效果,而且实测的边界层位移厚度与理论推导值吻合。根据测量的收缩段内和出口的边界层速度分布,计算边界层位移厚度、动量损失厚度和形状因子,并据此判定,航空声学引导风洞收缩段内的边界层流动保持层流状态,未发生层流到湍流的转捩。

含空冷器管道系统气柱固有频率研究

韩文龙, 卫国, 韩省亮, 白长青

2015, (3): 99-103. doi: 10.11729/syltlx20140106

摘要(136) PDF(2)

摘要:
根据空冷器国标GB/T-15386-94和工程中惯用的空冷器结构模型设计并制造了简易空冷器模型,搭建了含空冷器管道系统气柱固有频率实验测试平台;用计算流体动力学(CFD)方法建立了管道系统流体动力学模型。通过对比模拟结果与实验数据验证了试验方法(扫频法)及模拟所用方式(频响法)的合理性与正确性。基于实验和模拟结果提出了空冷器作为管道系统中特殊管路元件时合理的参数化模型即“容-管-容”参数化模型,为工程中计算含空冷器管道系统气柱固有频率提供了直接有效的方法。

跨声速压气机实验系统Helmholtz频率的影响因素及估算方法研究

贺雷, 潘天宇, 李秋实

2015, (3): 104-109. doi: 10.11729/syltlx20140091

摘要(109) PDF(2)

摘要:
针对压气机实验系统 Helmholtz共振频率的研究对于建设压气机试验系统及研究压气机流动不稳定现象均有重要意义。以北京航空航天大学跨声速压气机试验系统为背景,通过拆除该压气机试验系统的稳压箱、格栅等部件以及更改该试验系统的几何尺寸,分析该型压气机试验系统 Helmholtz 共振频率的影响因素;同时引入了Duct-Compressor-Plenum模型理论,对该压气机试验系统进行相应的模化,并对其系统 Helmholtz 共振频率进行相应估算。结果表明:在该类型的跨声速压气机试验系统中,压气机前端的稳压箱及稳压箱之前部分主要作用是为整个试验系统提供均匀的进气环境,而对系统 Helmholtz 共振频率不产生任何影响。因此,在跨声速压气机试验系统Duct-Compressor-Plenum模型模化过程中,不应将稳压箱及其之前部件进行模化。

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2015年第29卷第3期

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