长试验时间激波风洞测力技术研究

中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,我们考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1kN到30kN,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,我们应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.     

基于深度学习技术的激波风洞智能测力系统研究

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用.通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流.在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时,测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响,其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决,尤其对试验时间只有几毫秒的情况,六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战.因此,对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现,天平动态校准凸显重要性和必要性.本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念,并应用于目前激波风洞测力试验中.该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准,而非仅仅针对天平,并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象,确保校准与应用的一致性.在测试评估中,测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果,大幅度低频振动干扰基本被消除,脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.     

激波风洞信号测量仪

本文叙述了一种用于激波风洞实验研究中的以微机为基础的多功能智能测量仪表,叙述了其构成部分和性能、硬件结构和原理、软件编制以及将BASIC程序写入EPROM的过程。     

伺服加速度计在抗振动干扰攻角测量中的应用与设计

提出采用双伺服加速度同轴和垂直系统的两种方法,能够解决风洞模型攻角传感测量中的抗振动干扰问题,通过对两种系统的分析与比较,给出了较为合理的设计方案。     

激波管与激波风洞的研制——俞鸿儒院士访谈录

激波管是实验室内产生激波的设备,大型激波风洞在空气动力学方面有广泛的应用. 俞鸿儒院士是我国最早研究激波管和激波风洞的科学家之一,参与并主持了激波管与激波风洞的研制. 本文通过访谈整理了激波管自动破膜,激波风洞氢氧燃烧和爆轰驱动技术的相关研究过程,并介绍了激波风洞研制过程中相关测试仪器的设计和改造情况.     

非定常IV型激波-激波干扰数值模拟研究

对IV型激波-激波干扰非定常流动进行了数值模拟,采用有限体积法,结合空间半隐的二阶OC-TVD格式与时间二阶显式Runge-Kutta法求解三维全N-S方程,并且使用了Baldwin-Lomax代数湍流模型．得到了周期性流场变化结果,其中包括周期变化的双涡结构．壁面压强峰值的大小和位置均呈周期性振动,壁面压力系数和Stanton数的时均分布与定常实验结果符合得较好．并从一周期内流场结构的扰动传播出发,分析了结构变化的相位,说明了IV型激波一激波干扰内在的非定常性机理与影响因素。     

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及其对风洞试验时间的影响. 为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板,以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法. 计算结果表明：环形隔板确实可以限制驱动气体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.     

叶轮机中振动叶片非定常气动力的研究

采用“单一叶片振动方法”代替传统的“全部叶片振动方法”，用线性化的方法推导出计算振动叶片非定常气动力（引起叶片弯曲振动）及力矩（引起叶片扭转振动）方程。通过输入叶型及气流参数，它可以方便有效地估计出作用在振动叶片上的非定常气动力和力矩，以及振动叶片不稳定工况发生的条件和范围。并在氟里昂超音速风洞上进行了实验测量，结果表明，理论计算结果与实验测试结果符合较好。     

基于吸收光谱的激波风洞驻室流场时空分辨测量

发展非侵入、多维和多参数测量技术对于获取激波风洞的真实运行状态至关重要,本文基于TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 可调谐二极管激光吸收光谱)对激波风洞驻室开展时空分辨测量研究,提出了一种可在有限射线下实现轴对称流场空间分辨测量的虚拟旋转射线重建方法;对该方法进行重建仿真,验证了其可行性;设计了一套适用于激波风洞强振动环境的光学系统,基于该光学系统开展了吸收光谱实验。实验结果显示：激波风洞的驻室区内发生了激波的入射和反射,风洞有效运行时间约为10ms,与数值模拟结果基本吻合;管壁附着的液态水蒸发使得壁面附近流场温度降低95K;驻室横截面内温度的分布呈现中心高、边缘低的特征。     

自由活塞激波风洞

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。     

气动阻尼对高层建筑横风向风振响应的影响

引入横风力谱模型,分析了某高宽比为6的方形截面高层建筑在不同地貌和风速条件下的横风向风振响应. 同时考虑正气动阻尼的影响,获得该建筑在不同自振基频下的风振响应及气动阻尼影响的规律. 分析结果表明,对于处于低粗糙度地貌并受较高风速作用的低频建筑物,当计算其横风向风振响应时,应适当考虑正气动阻尼的影响,使计算结果更具真实性.     

气动加载与振动激励耦合试验方法研究

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件的振动响应测试为目的,设计符合试验要求的试件和整套试验装置。得到了气囊5种不同加载情况下试件振动响应变化情况,并对此试验结果进行了理论分析,得出以下结论:a)气囊模拟静载/常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性,此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境;b)加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试件结构的振动响应有一定影响,应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。     

不同展长比旗帜在均匀来流中摆动的实验研究

为研究展长比对旗帜摆动特性的影响,在低速风洞内开展了质量比M*为0.6,展长比H*为0.2～1.5的柔性旗帜在不同来流速度下的失稳实验.利用高速摄影机和图像处理技术分析了无量纲速度U*和展长比H*对旗帜运动学特征(频率和振幅)的影响;利用自行研制的天平测量了旗帜受到的阻力,首次给出了旗帜的动力学特征.结果发现,保持展长...     

风激下结构的紊流诱发振动

高耸结构群或桥梁部件在风激下，除了产生经典气动弹性效应外，还会引起结构或部件间的相互动力干涉作用，特别是由于上游结构振荡绕流所形成的紊流激励作用，使得处于尾流场中的结构或部件的动态性能与上游结构有明显的差别。文中报导弹性约束下两Ｈ型结构的气动干涉实验结果。依据实验观察到的主要特征分析风激干涉下结构的紊流诱发振动与随机动力稳定性，得出紊流随机响应的解析表达式以及用以确定临界风速的动力稳定性条件，计算     

后座机构等效阻尼系数的求解

本文用试验法测量出引信后座机构所受的冲击加速度信号ａ（ｔ）以及惯性块的后座位移ｓ（ｔ）,并用优化的算法求解出机构的等效阻尼系数Ｃ,文章着重介绍了测试系统的３个主要子系统：系统;加速度、位移信号传感系统以及数据采集,记录和分析系统。同时介绍了位移传感器的设计和制作。     

基于翅片超表面钝体的流致振动俘能特性研究

超表面结构对钝体气动力特性有显著影响. 为了增强普通圆柱的流致振动俘能特性, 在圆柱表面装配不同高度和不同数量的翅片超表面并研究其对流致振动俘能特性的影响. 搭建流致振动俘能实验平台并制作压电俘能器, 实验分析了不同俘能器的俘能特性. 基于Tamura和Shimada提出的涡驰耦合模型 (Tamura-Shimada模型), 推导单自由度 (single-degree-of-freedom, SDOF) 压电俘能器流−固−电耦合理论模型, 并研究了俘能器的气动力参数对其俘能特性的影响. 建立计算流体动力学 (computational fluid dynamics, CFD) 模型, 仿真分析了不同钝体的旋涡脱落模式和流场特性. 实验结果表明翅片超表面能够显著改变钝体的动力学响应: 抑制涡激振动从而降低俘能特性或从涡激振动转变为驰振从而显著增强俘能特性. 当风速超过相应驰振起振风速后, 俘能器出现驰振特征并表现为稳定的极限环振荡 (limit cycle oscillation, LCO). 理论模型能够较为准确地预测俘能器的电压响应. 通过仿真分析可知, 翅片超表面能够显著改变钝体后方的旋涡强度, 导致其动态响应发生变化, 最终影响其俘能特性. 此外, 研究了不同接口电路对压电俘能器输出功率的影响, 与标准直流 (direct current, DC) 电路相比, 自供能同步电荷提取 (self-powered synchronous charge extraction, SP-SCE) 电路不仅可以提升压电俘能器的输出功率同时也可以提供更加稳定的功率输出, 消除了阻抗匹配的要求, 保证了高性能压电俘能器在实际应用中的灵活性.     

宽幅分体式双钢箱梁涡振性能试验研究

近年来,分体式钢箱梁作为新的主梁断面形式,因其优异的颤振稳定性备受关注。然而,由于结构特殊,其涡振性能的研究仍有待深入。本文以某大桥的宽幅分体式双钢箱梁为研究对象,通过1/60比例主梁节段模型进行风洞试验,研究了均匀流和紊流场下原始断面的涡振特性和附加气动措施(如检修车轨道位置、设置封闭栏杆、设置中央开槽处挡风格栅和中央盖板等)对分体式双钢箱梁的涡振控制效果。研究结果显示：分体式双钢箱梁中央开槽处对气流的影响是产生涡激振动的重要因素;紊流场对抑制扭转涡振有明显效果,但对竖向涡振的抑制效果有限;改变检修车轨道位置和封闭栏杆等气动措施对扭转涡振的抑制效果不明显,但对抑制竖向涡振有一定效果;中央开槽处的挡风格栅和中央盖板透风率越低,涡振抑制效果越显著,并且中央开槽处抑振措施的高度设计对抑振效果也有一定的影响。本研究成果可为类似分体式钢箱梁的抗风设计提供参考,并有助于优化其涡振性能。