基于NPLS技术的超声速混合层流动控制实验研究

在对流马赫数（Mc）为0.5的超声速混合层风洞中,通过在两股气流的分隔板上添加扰动片的方式,对超声速混合层进行了流动控制的实验研究。比较了不同尺寸下,二维扰动片和三维扰动片对混合层流动控制的效果。采用基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）进行流动显示,所得NPLS图像清楚地再现了混合层的流动结构,为比较流动控制的效果提供了有力的实验依据。流动控制的结果表明：二维扰动控制增强了混合层的二维特性,有利于推迟混合层的转捩;三维扰动控制增强了混合层的三维特性,使混合层转捩提前。采用NPLS技术对混合层内的三维结构进行了流动显示,在三维扰动控制下,混合层内部出现明显的H-型分布的A涡结构。     

基于纳米粒子的超声速流动成像

由于超声速流动受到可压缩性、激波、不稳定性以及湍流等因素的影响, 现有流动显示与成像技术在流场结构的高时空分辨率和高信噪比测量中存在一定的问题. 为此, 本文提出了基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）, 该技术以纳米粒子作为示踪粒子, 以脉冲平面激光作为光源, 通过CCD记录流场中的粒子图像实现超声速流动的高分辨率成像. 根据多相流体动力学理论和斜激波校准实验研究了纳米粒子在超声速流动中的跟随性问题. 根据光散射理论深入分析了影响纳米粒子散射光强的各种因素. 理论和实验研究结果表明, 纳米粒子的动力学行为和光散射特性大大提高了NPLS技术的时空分辨率和信噪比, 能够再现激波、膨胀波、马赫盘、边界层、滑移线和混合层共存的精细流场结构.     

超声速混合层拟序结构密度脉动的多分辨率分析

由于超声速密度场测量十分困难，基于实验图像的超声速混合层流场的多分辨率分析一直难以实现．本文利用新近提出的基于纳米粒子的平面激光散射技术，以较高的时空分辨率测量了超声速混合层密度场结构．根据混合层拟序结构的动力学特性，以Taylor的时空转换假设为基础，利用小波分析研究了密度脉动信号和密度场图像的多分辨率特征．密度脉动信号的小波近似系数较好地反映了不同尺度下密度脉动信号的特征，相应的细节系数在一定程度上反映了各层平滑近似的差值．超声速混合层密度脉动信号不同于周期性的正弦信号，而更类似于具有分形特征的Koch曲线信号，在各个尺度上都具有一定的相似性，体现了混合层流场的分形特征．密度场图像的二维小波分解与重构给出了不同尺度的近似与细节信号，有效地分辨了不同尺度下流场的特征结构．     

基于NPLS 技术的气动光学畸变测量方法与应用

现有的气动光学畸变测量方法, 存在时空分辨率不高、受环境和积分效应影响等问题. 本文提出了一种新的超声速流场气动光学畸变测量方法, 基于自主开发的超声速密度场测量方法, 借助光线追迹法测量超声速流场某一截面对应的气动光学畸变. 与其他测量方法相比, 该方法有3 个显著的优点: (1) 高时空分辨率, 时间分辨率为6 ns, 空间分辨率最高可达微米量级; (2) 可避免传统方法的积分效应, 对感兴趣的局部流场进行研究; (3) 可避免风洞实验段壁面边界层和环境扰动等因素的影响. 采用该方法, 对超声速光学头罩流场的气动光学畸变进行了测量研究. 高时空分辨率的测量结果揭示了精细的波前畸变信息; 对局部流场的研究结果表明, 激波、膨胀波和湍流边界层对气动光学畸变有不同程度的影响; 测量范围的可控性, 使得测量结果免受风洞壁面边界层和环境等因素的影响.     

超声速混合层密度场测量与近似重构

利用纳米示踪粒子研究了超声速混合层的密度场结构.探讨了基于实验图像的密度场校准方法,采用斜激波实验校准了示踪粒子浓度与当地流场密度之间的关系.针对混合层流动图像的实际特征,校准了光强分布不均匀对密度场测量的影响.以对流马赫数0.12混合层为研究对象,测量得到了相应的密度场结构.根据混合层展向结构的涡结构特征和流向的密度场分布,近似重构了超声速混合层的密度场,所得到的密度场结构较好地反映了混合层流动的三维特征.     

基于BOS的气动光学波前测量技术研究及其应用

平行光束在变折射率流场中传输时, 会偏离其原来的传播方向, 同时产生波前畸变. 根据Malus 定律, 若能测得平行光束透过流场后的偏折角, 就可得到波前畸变的空间梯度, 进而采用波前重构算法计算波前畸变的空间分布. 背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS)的两个特性为测量波前畸变提供了有利条件: BOS 技术通过测量参考背景图像和实验背景图像之间的相对位移, 可对光束通过流场后的偏折角进行定量测量; 在纹影模式的BOS 系统中, 只有垂直于背景图像的平行光线才能入射到相机, 便于研究平面光波透过流场后的波前畸变. 有鉴于此, 本文基于纹影模式的BOS 系统, 构建了波前畸变的空间梯度和背景图像位移的定量关系, 并选用Southwell 波前重构算法, 开发了一种测量气动光学波前畸变的新方法——基于BOS 的波前测量技术(BOS-based wavefront technique, BOS-WT). 本文构建的一套BOS-WT 系统, 其时间分辨率高达6 ns, 时间相关分辨率最高可达0.2 μs, 能够对波前的瞬态分布进行时间相关的定量测量,而且设备简单、易于操作. 采用该系统, 研究了超声速混合层的气动光学性能, 测得了时间间隔5 μs 的瞬态波前分布; 测量结果不仅再现了平面光波通过超声速混合层后波前的瞬态分布, 而且对比两个时刻的测量结果, 可观察波前随时间的演化规律.     

基于NPLS的超声速层流/湍流后台阶流动精细结构研究

在Ma=3.0低噪声、吸气式超声速风洞中,对台阶高度h=5mm的超声速后台阶流场进行了精细结构测量.通过改变台阶上游壁面的表面粗糙度,实现了超声速层流、湍流两种后台阶流动.采用NPLS技术对流场整体结构的时空演化特性以及4个局部典型区域的细节结构等方面进行了实验研究.瞬态流场揭示了扇形膨胀波系、再附激波、超声速边界层及其分离、再附和恢复等结构的空间特征.通过比较时间平均的结果,可知超声速湍流后台阶流动分离后的膨胀角较大、回流区的长度相对更短,而再附后重新发展的边界层厚度以较小的倾角增长,但两种流动的再附激波角度大致相同.在时间演化上,超声速层流后台阶流动主要表现为K-H涡结构的变形受剪切、膨胀、再附以及三维效应等影响;而湍流后台阶流动则主要表现为大尺度结构在再附点前后受膨胀、黏性以及再附后逆压梯度的作用而倾斜和变形.对局部区域的研究表明,在超声速层流后台阶流场中微弱压缩波与当地对流马赫数和K-H涡结构的诱导作用有关,并且在下游汇聚成再附激波的现象明显;而湍流后台阶流场中则未有明显的压缩波和K-H涡结构,其再附激波的形成主要与壁面的压缩效应有关.     

超声速混合层（Mc=0．5）流动现象的实验观测和计算分析

实验和计算均能获得混合层流动失稳结构的参数,但以往两种研究方法所获结果缺乏对比验证．我们用NPLS（Nano-Based Planar Laser Scattering）流动显示技术和二维DNS方法研究了Mc=0．5（M1=3．5／M2=1．4）的超声速混合层流动．从实验照片测量了混合层流动在无附加扰动和施加谐波扰动下流动结构波长,与二维DNS计算结果差异均在1％以内．两种方法的结果得到了相互验证．实验测量了结构的对流输运速度,证实对于超／超混合层流动,满足Mc,2〈Mc,1关系．实验照片清晰记录了大涡拟序结构的演化过程,如混合层流动的对并和间歇现象．     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

基于NPLS技术的超声速流动密度场测量方法研究

受激波、湍流等多种因素的影响,超声速流动的密度场在空间和时间上呈现出明显的不均匀性和非定常性,给测量带来困难.现有超声速密度场测量方法存在着时空分辨率不高、测量三维密度场能力有限或信噪比低等问题,我们基于NPLS技术（Nano-based planar laser scattering,基于纳米技术的平面激光散射）,提出了一种新的超声速密度场测量方法.该方法通过校准NPLS图像灰度与流场当地密度的关系,可测量超声速三维流场某一截面上时间相关的瞬态密度分布.NPLS方法具有高时空分辨率和高信噪比等特点,我们提出的以NPLS为基础的新的超声速密度场测量方法能很好地测量超声速流场中激波结构和复杂涡系结构带来的密度变化.作为应用实例,我们采用该方法对超声速光学头罩对称面密度场进行了测量,测量结果空间分辨率达到93.2μm/pixel,再现了激波、湍流边界层等精细流场结构;对比时间间隔5μs的测量结果,可得出密度场随时间的演化规律.