实验流体力学

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湍流燃烧专栏

火箭冲压组合发动机燃烧的若干基础问题研究

何国强, 秦飞, 魏祥庚, 曹东刚, 黄志伟, 刘冰

2016, 30(1): 1-14,27. doi: 10.11729/syltlx20150159

摘要(564) PDF(35)

摘要:
火箭冲压组合发动机包含多个工作模态,不同模态灵活组合的优势使其具有宽速域和广空域的工作特点,兼具加速和巡航的优点.火箭冲压组合发动机燃烧室中存在着亚声速、跨声速和超声速共存的流动结构,具有流动速度高、混合时间短、反应强度大、燃烧空间受限和波系结构复杂等特点.围绕火箭射流的强剪切性、燃烧模式的多样性和燃烧过程的动态性,分析了火箭冲压组合发动机的流动与燃烧特征,总结了面向发动机的高速湍流燃烧研究进展,研究了火箭冲压组合发动机中超声速反应混合层的生长特性、燃烧模式与空间释热分布和动态燃烧特性等问题.通过对碳氢燃料详细化学动力学机理的简化、校验,获得了分别适合于工程计算和细致燃烧机理研究的总包反应与框架机理.从火箭射流主导的反应混合层生长模型,宽范围、变来流工作中流动燃烧过程的不确定性和碳氢燃料动力学的简化与加速算法研究出发,提出了火箭冲压组合发动机基础研究中需要突破的问题,为认识发动机中多尺度燃烧机理、优化多模态燃烧组织提供参考.

微尺度爆震燃烧研究进展

何建男, 范玮

2016, 30(1): 15-27. doi: 10.11729/syltlx20150135

摘要(111) PDF(8)

摘要:
微尺度爆震燃烧(Microscale Detonation)是基于微燃烧(Microscale Combustion)和微动力机电系统(Power MEMS)提出来的新研究方向.目的是为了把爆震燃烧这一高效的燃烧方式应用于微动力领域,以解决人们对小型、高性能动力的需求.几十年来,人们虽然在爆震燃烧的研究中涉及了一些与微爆震相关的内容,但是对其机理的了解仍然十分不足.本文从微爆震基本概念出发,对其现象、成因、影响因素及需要解决的问题等方面进行综述,总结了目前国内外重要的研究成果,为今后进一步的探索提供参考.

高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

刘洪, 陈方, 励孝杰, 郑忠华, 肖保国

2016, 30(1): 28-42. doi: 10.11729/syltlx20150069

摘要(503) PDF(82)

摘要:
粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息.本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题.从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索.并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段.

光谱法和取样分析法在燃烧诊断研究中的应用

刘训臣, 李玉阳, 周忠岳, 王毓, 齐飞

2016, 30(1): 43-54,67. doi: 10.11729/syltlx20150138

摘要(271) PDF(22)

摘要:
介绍了燃烧诊断学中常用的非接触光谱诊断和取样诊断方法.光谱方法包含红外吸收光谱、紫外激光诱导荧光和非线性光谱方法(如相干反斯托克斯拉曼光谱等),可以测量燃烧体系的温度场、浓度场和速度场信息,可用于研究燃烧基元反应动力学,燃料的热解和氧化,层流火焰结构及湍流火焰的成像.而通过分子束取样的真空紫外光电离质谱检测方法可以获得更全面更灵敏的诊断信息,特别是活泼的燃烧中间体的浓度信息,为详细燃烧反应动力学模型的发展和验证提供了强有力的支持.

暂冲式激波聚焦及起爆爆震的实验与数值模拟研究

何立明, 荣康, 白晓峰, 张永帅, 陈鑫

2016, 30(1): 55-67. doi: 10.11729/syltlx20150162

摘要(169) PDF(7)

摘要:
开展了三维暂冲式激波聚焦及起爆爆震的冷态与热态实验,并采用WENO算法和块结构网格自适应加密算法进行了高精度数值模拟.在环形喷口宽度d=5.4mm,驱动压力pres=0.55MPa,初始压力pinit=0.091MPa的条件下,第1次激波聚焦所致的峰值压力达2.17MPa,是初始压力的23.8倍.以当量比1.0的C2 H2/Air混合气为工质,在驱动压力为1.51MPa,环形喷口宽度d=11.4mm的工况下成功起爆了爆震波.测得火焰传播速度与激波传播速度之间的耦合偏差为2.7%,爆震波速为1587.3m/s.数值模拟清晰地捕捉到了激波聚焦及起爆爆震过程中的流场演化细节.发现环形激波沿三维凹面腔径向入射,首先在对称轴上聚心碰撞,形成沿对称轴对称分布的马赫干,并作为入射激波向凹面腔底部推进.同时,原入射激波也向凹面腔底部运动.因此,环形激波沿三维凹面腔径向入射聚焦的完成是以原入射激波和新形成的马赫干在凹面腔底部碰撞为标志的.

基础研究及应用

大跨度中央开槽钢箱梁悬索桥颤振关键参数研究

邵亚会, 侯俊勇, 赵心悦, 葛耀君

2016, 30(1): 68-73,90. doi: 10.11729/syltlx20150084

摘要(124) PDF(3)

摘要:
中央开槽钢箱梁作为第三代钢箱梁,可改善结构的气动性能,提高颤振临界风速,但开槽箱梁的优化选型受多种因素影响.为全面阐述开槽箱梁的气动优化选型规律,通过风洞试验和数值方法综合研究了多个关键参数对颤振性能的影响:通过节段模型风洞试验,研究了开槽比对颤振临界风速的影响规律,并获得了多组颤振导数;采用二维颤振直接分析数值算法,研究了钢箱梁的几何参数、质量参数、频率参数和纵向遮盖率等对悬索桥颤振临界风速的影响规律.研究发现:颤振临界风速随开槽宽度增加先增大后减小,存在最优开槽比;开槽宽度增加使质量和质量惯矩增大,质量和质量惯矩的增加有利于颤振稳定性能的提高;随着扭转频率的增大颤振性能增强,竖弯频率则相反;纵向遮盖各工况也存在最优遮盖率,影响颤振的规律与中央开槽类似;颤振临界风速对各个参数的敏感度不同,敏感度从小到大依次为:质量、竖弯基频、质量惯矩、扭转频率.该研究成果可为开槽箱梁的气动选型提供参考.

附属构件及桥面粗糙度对近流线型宽体箱梁气动静力系数的影响

张亮亮, 吴波, 杨阳, 刘连杰, 刘书洋

2016, 30(1): 74-80. doi: 10.11729/syltlx20150059

摘要(126) PDF(3)

摘要:
针对高宽比为1/12的近流线型宽体箱梁进行了一系列参数化的三分力测力试验,研究了栏杆透风率、检修车轨道位置、桥面粗糙度对三分力系数的影响.运用CFD工程软件Fluent 15.0模拟二维风场,对三分力系数变化的可能机理进行讨论.结果表明,对于近流线型宽体箱梁:(1)随迎角由负到正加大,CD先降后升,CL与Cm总体趋于升高,但均不关于零迎角对称或反对称;(2)栏杆透风率的减小一方面加大了断面挡风面积,使尾流变宽,CD升高;另一方面扩大了断面上方负压区范围(正迎角工况),提高了上表面压力系数(负迎角工况),使正、负迎角下的升力均增加,即CL绝对值升高;(3)正迎角来流时,检修车轨道的内移使断面下方的负压区缩小、压力系数减小、尾流变窄,则CD、CL均降低;但负迎角来流时,其位置的移动未对分离区造成明显影响,则CD与CL均未出现显著波动;(4)正迎角来流时,桥面粗糙度的提高减小了上表面的分离角,使负压区缩小、尾流变窄,则CD降低;且负压区的缩小使得朝上的升力减小,即CL降低.负迎角来流时,粗糙度的提高使上表面的阻力与压力系数均增加,则CD升高、CL的绝对值升高;(5)栏杆透风率、检修车轨道位置及桥面粗糙度对Cm的影响可以忽略不计.

旋转圆柱绕流的PIV实验研究

孙姣, 张宾, 唐湛棋, 陈文义

2016, 30(1): 81-90. doi: 10.11729/syltlx20150037

摘要(395) PDF(26)

摘要:
投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流.探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究.实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究.通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响.为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势.发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小.在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征.随着转速变大,涡旋尺度变小.在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布.

测量技术

应用热线风速仪对熔喷流场的温度速度同步测量方法

王鑫, 杨颖, 马云驰, 麻伟巍

2016, 30(1): 91-96. doi: 10.11729/syltlx20150068

摘要(106) PDF(4)

摘要:
热线风速仪是将速度信号转化为电信号的测速设备,在流场测量方面应用广泛.同步测量方法的实验系统主要包括自加热设备、Dantec热线风速仪和二维探头.本文介绍了同步测量方法,进行了变温度流场的数据处理.结果表明,在变温度流场中必须进行温度速度的同步测量,关键在于在对应温度下标定速度,另外在处理变温度流场数据时要代入变温度标定系数.实验结果证明速度和温度分布可以通过同步测量方法快速有效地获得.

实验设备及方法

一种基于绝对式角编码器的风标式迎角侧滑角传感器的设计与实现

杨帅, 黄平, 毛仲君, 张利辉, 黄少林

2016, 30(1): 97-101,112. doi: 10.11729/syltlx20150058

摘要(165) PDF(5)

摘要:
设计了一种风标式迎角侧滑角传感器,以满足模型飞行试验中大迎角飞行状态下迎角侧滑角的测量需求.首先对比分析了压差比式传感器与风标式传感器的优缺点,并结合试验需求,选取风标式传感器为设计目标.采用新型绝对式角编码器来测量角度,增加了测量范围、提高了测量精度并能满足恶劣环境条件下的测量需求.采用自平衡式风标,省去了配重,减小了机身气流的影响.风标式传感器由风标机械结构和测量系统组成.通过风洞试验及飞行试验验证,该风标式传感器的迎角测量范围能够达到土90°,并具有结构简单、测量范围大和测量精度高等优点.

提高变体飞机风洞测力试验精度的方法研究

蒋增龑, 刘铁中, 何宏伟

2016, 30(1): 102-106. doi: 10.11729/syltlx20140137

摘要(147) PDF(6)

摘要:
变体飞机风洞试验主要测量机翼等变形过程对流场的扰动引起的动态气动力、力矩和力矩操纵效率变化.相对于常规测力试验,由于模型的变体运动导致试验数据精度差.本文对纯机械驱动的变体飞机模型的风洞试验精度的主要影响因素进行了分析,从试验方案、数据采集触发方式和数据处理方法等进行了改进.验证试验表明,试验精度大幅提高,升力系数重复性最大误差约为0.00538,阻力系数重复性最大误差约为0.00098,俯仰力矩系数重复性最大误差约为0.00113,动态试验精度达到常规试验水平.

冲压发动机燃烧室进气畸变模拟装置设计及试验

王寅会, 张炎, 裘云, 赵书苗, 凌文辉

2016, 30(1): 107-112. doi: 10.11729/syltlx20150033

摘要(131) PDF(7)

摘要:
设计畸变模拟装置是冲压发动机中解决进气道和燃烧室匹配问题的一个经济有效的手段.提出采用非均匀开孔率孔板作为进气畸变模拟装置.研究结果表明,因孔板局部位置堵塞比存在差异,气流经过后,下游截面的流量、压力和马赫数会产生梯度变化,进而形成畸变流场,通过数值计算、对比结果及改进开孔率的循环优化过程后,最终得到的流场在分布规律及数值上均与目标流场吻合较好.经试验验证,试验结果与目标流场分布规律一致,马赫数畸变指数偏差小于5%,证明了方法的可行性.