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2020年  第34卷  第5期

综述
水翼叶梢涡空化实验研究进展
刘玉文, 徐良浩, 宋明太, 顾湘男, 彭晓星
2020, 34(5): 1-11. doi: 10.11729/syltlx20190083
摘要(178) HTML (97) PDF(18)
摘要:
针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象,国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述,梳理未来的研究方向及关键问题,为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题,基于旋涡理论模型及流场测量技术,对不同翼型的梢涡结构特征进行分析,根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间),初步认识了梢涡空化发生机理;关于梢涡空化发展问题,以辐射噪声骤增为典型特征,借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术,研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征,通过进一步解释"涡唱"现象,深入认识了梢涡空化发生机理;关于梢涡空化溃灭问题,溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械,对结构物的振动与剥蚀影响很小,本文不作详细阐述。此外,对梢涡空化初生的准确预报,一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底,主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。
基础研究及应用
扰动激波冲击界面不稳定性:反射激波效应
权通, 廖深飞, 邹立勇, 邱华
2020, 34(5): 12-19. doi: 10.11729/syltlx20200019
摘要(256) HTML (143) PDF(20)
摘要:
通过平面激波绕刚体圆柱的方法形成扰动激波,采用无膜技术形成N2/SF6均匀界面,在竖式激波管中开展了扰动激波冲击界面Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性实验研究。针对3种不同的无量纲距离η(圆柱到界面距离与圆柱直径之比)情形,利用高速纹影技术及平面Mie散射技术,获得了反射激波二次冲击作用下的界面演化图像。前期工作(邹立勇等,2017)显示,入射激波冲击后,界面发展为包括中心气腔和两侧台阶的"Λ"形结构。研究结果表明:反射激波二次冲击后,"Λ"形界面首先经历相位反转,然后扰动逐渐发展增强。在η=2.0情形,界面演化为气泡,而当η=3.3和4.0时,在整体的气泡结构之外,界面中心发展为尖钉结构。获得了反射激波作用后的混合区宽度,并与理论模型结果进行了比较。在界面演化线性阶段,Meyer-Blewett(MB)线性模型结果和实验结果吻合较好。在界面演化非线性阶段,Dimonte-Ramaprabhu (DR)模型结果和实验结果吻合较好。特别地,当η=4.0时,理论与实验结果差别最小。
鱼游动涡结构PIV实验研究
王福君, 王洪平, 高琪, 魏润杰, 刘彦鹏
2020, 34(5): 20-28. doi: 10.11729/syltlx20200039
摘要(604) HTML (290) PDF(77)
摘要:
鱼类逃逸和巡游已逐渐成为鱼类仿生推进水动力学领域的研究热点,其研究结果为水下航行器推进技术提供了很好的理论基础和指导意义。利用平面PIV技术测量了斑马鱼在水中游动时的尾迹流场,分析了不同游动状态下的鱼尾迹涡结构的变化规律;同时利用Tomo-PIV技术测量了曼龙鱼游尾迹三维流场,获得了涡环链结构。结果表明:不同游动状态下,鱼游尾迹表现出不同的流动结构和尾迹模式,对其进行研究有利于进一步揭示鱼游动的水动力学机理。
CO2中速度5~7 km/s自由飞圆球流场参数的实验测量和数值模拟
廖东骏, 柳森, 黄洁, 简和祥, 谢爱民, 王宗浩
2020, 34(5): 29-35. doi: 10.11729/syltlx20190055
摘要(312) HTML (139) PDF(20)
摘要:
为研究火星进入条件下的非平衡流动特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所弹道靶上测量了CO2中针对火星探测器进入速度范围5~7 km/s条件下的自由飞圆球的激波脱体距离。实验数据基于阴影法测量,并将其与数值计算结果进行对比,进一步计算了实验流场温度和组分分布等流场参数。一般认为激波脱体距离随来流速度升高而呈单调减小趋势,但研究结果表明:实验状态下,圆球飞行速度约5.5~7.0 km/s的范围内,圆球激波脱体距离随飞行速度升高而增大;采用Park的双温度非平衡模型和5组分6反应的CO2化学反应动力模型可基本再现本文自由飞圆球激波脱体距离的实验测量数据;根据计算结果推测,本实验状态下自由飞圆球波后靠近激波一侧区域的流场主要处于热化学非平衡状态;当来流速度在约5.5~7.0 km/s的范围内时,流场组分CO开始发生显著离解,是引起圆球激波脱体距离在该速度范围内随速度升高反而增大的可能原因。
带辅助进气的二元超声速进气道低速特性
符小刚, 李俊浩, 许艳芝
2020, 34(5): 36-43. doi: 10.11729/syltlx20190129
摘要(424) HTML (141) PDF(29)
摘要:
通过飞行试验,研究了带辅助进气门的二元超声速进气道在亚声速低马赫数飞行时的内部流场分布及进气畸变等特点。结果表明,辅助进气流与进气道内主流掺混会在进气道内辅助进气门下游区域产生低总压区,引起畸变增加、总压恢复下降,并且进气量及引起的畸变随发动机转速的增大而增大,随马赫数的增加而减小,随飞行高度的变化则无显著差异;同时,侧滑角向左及向右增大时辅助进气产生的低压区范围以及进气畸变也会增大,而迎角变化时进气畸变及总压恢复变化不明显。另外,通过分析各试验点进气道出口低总压区的变化与流量系数的关联,确定了该型进气道辅助进气门打开及关闭状态对应的工作范围。
水滴变形及其对阻力特性影响的实验研究
郭龙, 刘森云, 王桥, 赵献礼, 易贤
2020, 34(5): 44-49. doi: 10.11729/syltlx20200076
摘要(329) HTML (148) PDF(22)
摘要:
为了探索飞机结冰研究中水滴撞击过程的变形行为发生机理和本质特征,提高结冰数值模拟的精准度,利用高速相机对水滴加速运动过程的变形现象进行了实验研究。通过研究,定义了水滴变形过程的4个典型形态,分析了水滴变形与各无量纲量的关系,拟合了水滴变形后的阻力系数曲线和计算式。研究表明:水滴在气动力作用下会发生显著的变形现象,依次历经圆球形、椭球形、半球形、圆盘形4种典型形状;水滴的纵横比随韦伯数(We)的增大呈线性减小,随邦德数(Bo)的增大呈双曲线减小;水滴变形会导致其阻力系数增大,在Re=500左右时,水滴阻力系数曲线开始脱离球形阻力系数曲线,逐渐增大至接近圆盘形阻力系数曲线,这与其变形过程一致。
基于高温燃气引射的引射器设计与实验研究
王海锋, 徐大川, 赵芳, 陈志强, 任泽斌, 史煜
2020, 34(5): 50-56. doi: 10.11729/syltlx20190065
摘要(343) HTML (151) PDF(18)
摘要:
结合气体热力学理论和等压引射器设计理论方法,提出了高温燃气热力学参数计算方法,研制了基于高温燃气引射的超声速引射器试验平台。通过引射器与燃气发生器的对接实验,研究了零引射和被引射气流引射两种状态下的工作性能以及引射气流温度变化对工作性能的影响。实验结果表明:被引射气流流量360 g/s时,入口总压达到3.89 kPa,优于设计指标4 kPa;引射气流温度在低于设计值100 K范围内的变化对引射器的工作性能不会造成影响。实验验证了基于高温燃气引射的超声速引射器性能计算分析与工程设计方法的可靠性,相关研究结果为燃气发生器参数优化提供了指导性建议。
Orthogonal analysis of the influencing factors of gas-solid two-phase jet particles
SONG Xinhua, LIU Zhenfeng, LI Xiaojie, YAN Honghao
2020, 34(5): 57-64. doi: 10.11729/syltlx20190052
摘要(210) HTML (101) PDF(9)
摘要:
Since the gas-solid two-phase particle injection technology is widely used, it is of great engineering significance to study its influencing factors. Firstly, to inverstigate two factors, pre-ssure and mass, experiments are arranged by the orthogonal experimental design principle. Then, based on the CFD-DEM model, the FLUENT software is used for numerical simulation, and the results are analyzed by range analysis and variance analysis. Finally, a set of jet experiments is designed to obtain the particle injection trajectory, and the photographs are processed by color histogram. The following conclusions are drawn: the influence of pressure is greater than that of mass by range analysis and variance analysis, and the mean value is the smallest when the pressure is 0.3 MPa and the mass is 2 g. When the pressure is 0.3 MPa and the mass is 2 g, the injection effect is optimized, and the shooting effect is the best, which is consistent with the results of numerical simulation.
拖曳式诱饵弹落差评估方法研究
周健, 欧平, 刘森, 张江, 魏巍, 秦永明
2020, 34(5): 65-69, 78. doi: 10.11729/syltlx20180163
摘要(334) HTML (122) PDF(20)
摘要:
针对某掠海飞行器拖曳式诱饵弹1:1试验模型,通过风洞拖曳试验与测力试验展开真实飞行条件下的落差评估方法研究。首先,通过风洞拖曳试验对不同构型诱饵弹的拖曳状态及落差进行分析研究,结果表明:诱饵弹头部外形和质心位置对其拖曳状态的稳定性影响较大,其静稳定性受拖曳线拉力和气动力共同作用,而非质心越靠前静稳定性越高。其次,通过对稳定拖曳状态下的诱饵弹的受力分析发现,利用风洞测力试验能获得诱饵弹随迎角变化的气动力与力矩系数,进而采用函数拟合方法推导出诱饵弹稳定拖曳状态下的落差,并将其与风洞拖曳试验结果对比,从而验证该方法的可行性。最后,分析了两种试验的特性及优缺点,给出了工程实践中拖曳式诱饵弹的优化设计与落差评估方法。
并列双圆柱尾流切向喷射控制研究
袁方洋, 曹阳, 凃程旭, 邹衡
2020, 34(5): 70-78. doi: 10.11729/syltlx20190151
摘要(152) HTML (69) PDF(8)
摘要:
采用PIV实验研究雷诺数为4000、中心距比为1.1的绕并列双圆柱流动施加切向喷射的尾涡控制特性。发现尾涡流场呈现双稳态偏流流型,偏向间隙流的存在将导致圆柱附近时均尾流场沿圆柱中心轴线不对称。分析圆柱尾流涡旋的分布情况和升力频谱,发现可以根据喷射角度θ及射流动量系数Cμ的大小将切向喷射尾流的控制效果分为无效区(θ≤20°或Cμ < 0.135)、非完全控制区(θ > 20°且Cμ > 0.135)和完全控制区(θ > 35°且Cμ > 0.304)。在非完全控制区,切向喷射诱导的射流势流区将并列双圆柱宽尾流抑制为窄尾流,涡系分布范围控制收缩在近尾流的一个三角形区域内。随着喷射角的增大或是射流动量系数的增大,圆柱所受升力的频谱峰值逐渐降低。在完全控制区,并列双圆柱尾流完全被消除,从时均场上看已无明显的涡旋存在,此时控制效果最优。
实验设备及方法
大型结冰风洞热流场符合性验证
郭向东, 张平涛, 赵献礼, 杨升科, 林伟
2020, 34(5): 79-88. doi: 10.11729/syltlx20190113
摘要(194) HTML (79) PDF(10)
摘要:
大型结冰风洞热流场符合性是大型结冰风洞适航应用的前提条件。为验证中国空气动力研究与发展中心3 m×2 m结冰风洞热流场符合性,建立了结冰风洞热流场符合性验证方法;针对主试验段构型,开展了热流场符合性验证试验,考察了试验段气流总温、试验段气流速度和喷嘴干空气射流对热流场空间均匀性和时间稳定性的影响,获得了试验段气流总温修正关系,形成了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线。结果表明:基于目前制冷系统性能,降低气流总温和提高气流速度会减弱试验段热流场空间均匀性,但对气流总温时间稳定性并无显著影响;喷嘴干空气射流会提高试验段气流总温,但对试验段模型区内热流场品质并无显著影响;在主要试验条件下,3 m×2 m结冰风洞热流场品质基本满足SAE ARP 5905-2003要求。
0.3 m低温连续式跨声速风洞结构设计
赖欢, 陈万华, 孙德文, 聂旭涛, 祝长江
2020, 34(5): 89-96. doi: 10.11729/syltlx20190156
摘要(383) HTML (193) PDF(27)
摘要:
低温风洞运行过程中,洞体回路承受的温度低且温度变化范围大,使结构产生较大的热变形和热应力,将影响风洞的气动性能和安全性。在进行0.3 m低温风洞结构设计时,通过合理选取风洞结构材料、采取驻室夹层内腔的气流换热和结构热变形释放等措施对结构热变形进行有效控制,并针对洞体回路的热变形和热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明,降温7200 s后,拐角导流片的温度降至约110 K,稳定段的法兰温度约为250 K,洞体回路的最大热应力出现在换热器驻室壳体上,约为110 MPa,安全系数大于1.8;洞体回路温度降至90 K时,长轴方向收缩约为29 mm,短轴方向收缩约为12 mm。通过低温风洞试验发现,仿真计算结果接近于实际的测量结果,调试试验结果验证了该风洞结构设计的可靠性。
塞块量热计的热流计算与修正方法研究
朱新新, 王辉, 杨凯, 朱涛, 杨庆涛, 刘进博
2020, 34(5): 97-102, 108. doi: 10.11729/syltlx20190134
摘要(175) HTML (67) PDF(16)
摘要:
为减小塞块量热计的热流测量误差,对其热流计算与修正方法开展了研究。根据能量守恒原理和传热理论,建立了隔热套结构塞块量热计的传热模型和计算方法;通过对塞块量热计传热模型的仿真分析,给出了温升率提取方法和计算误差的主要影响因素;提出了直接比对标定修正方法和基于标定的数值计算修正方法。仿真和试验结果表明:两种方法均能较大幅度减小塞块量热计的热流测量误差,使其误差控制在5%以内;直接比对标定修正方法的误差相对更小,但要求热流标定系统能覆盖被测热流范围;基于标定的数值计算修正方法对热流标定系统要求较低,适用范围更广。
跨声速风洞专用开孔壁试验段实验研究
刘琴, 张国彪, 张志峰, 张诚
2020, 34(5): 103-108. doi: 10.11729/syltlx20190073
摘要(191) HTML (129) PDF(14)
摘要:
为满足型号试验需求,2.4 m×2.4 m跨声速风洞需在不改变现有洞体结构和安装条件下新研制一个截面尺寸为3 m×1.92 m(宽×高)的专用开孔壁试验段。为了降低技术风险和投资风险,以0.24 m×0.20 m跨声速风洞(2.4 m×2.4 m跨声速风洞的引导风洞)为实验平台,采用变截面气动设计方案新设计、加工了一个专用开孔壁试验段实验件,并开展了预先性实验研究工作。通过实验研究验证了专用开孔壁试验段气动设计方案可行,且试验段模型区内流场达到设计指标要求。实验还考察了壁板扩开角、主流引射缝开度、开孔率分布等参数对流场均匀性的影响,研究结果表明:在扩开角0.3°、引射缝开度12 mm、加速区采用递增方式开孔时,专用开孔壁试验段的流场能够满足马赫数均方根偏差σM≤0.01(0.4≤Ma<1.0)、σM≤0.02(1.0≤Ma≤1.2、1.4)设计指标要求,并且在Ma≤1.0时,σM达到了国军标合格指标要求。研究工作为2.4 m×2.4 m跨声速风洞专用开孔壁试验段设计提供了技术支持,也为该风洞下一阶段调试和流场校测提供了可供参考的调试参数。

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《实验流体力学》编辑部

2021年8月13日