实验流体力学

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2022-02期目录

2022, 36(2): 1-156.

摘要(186) PDF(43)

摘要:

“复杂流场精细化测量”专刊简介

吴杰

2022, 36(2): 1-2.

摘要(764) HTML (131) PDF(52)

摘要:

超高时空分辨率磁纳米测温前沿与进展

易文通, 朱旖雯, 刘文中

2022, 36(2): 1-8. doi: 10.11729/syltlx20210107

摘要(2566) HTML (233) PDF(79)

摘要:
特殊条件下的远程、快速温度测量的前沿需求，对经典温度传感技术提出了挑战。磁学原理测温方法在这些领域颇具潜力，磁纳米粒子具备显著高效的温度–磁场转换效应及纳秒尺度的响应时间，可实现远程、高精度、快速的温度测量。本文综述了目前国内外磁纳米测温技术的发展现状，具体包括几种不同的磁纳米温度测量物理模型及仿真分析方法，以及相应的温度信息提取方法与测量系统设计。基于磁纳米粒子的远程温度测量方法主要原理是测量磁化率或磁化强度信号，通过Langevin磁学模型获取温度信息。多个原型实验证明了磁纳米测温技术在远程或超快速等约束条件下应用的可行性。磁纳米温度计为大功率芯片的结温测量、瞬态温度测量、穿透金属的远程温度测量以及高超声速风洞转捩点下游温度成像等极端条件下的温度测量提供了一种新的测量工具。

聚焦激光差分干涉法测量超/高超声速流动的进展

熊有德, 余涛, 薛涛, 吴杰

2022, 36(2): 9-20. doi: 10.11729/syltlx20210126

摘要(2466) HTML (483) PDF(121)

摘要:
聚焦激光差分干涉法（Focused Laser Differential Interferometry，FLDI）作为一种非介入式高时空分辨率的测试手段，适用于高超声速风洞等极端实验环境。从典型FLDI的光路设计出发，介绍了FLDI技术的测量原理以及空间滤波特性；梳理了近年来国内外研究者为满足不同气动问题的研究需求，对典型FLDI技术做出的一系列改进；介绍了FDLI技术在超声速以及高超声速流场（包括高超声速自由流来流扰动、高超声速边界层不稳定波与转捩以及超声速射流噪声辐射等）测量中的应用。本综述展现了FLDI技术在超声速以及高超声速流场测量中的潜力，为后续开展FLDI技术的改进及相关高超声速流场精密测量提供参考。

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

宋阁, 赵越, 汪磊, 刘涛, 吴迎春, 林文辉, 吴学成

2022, 36(2): 21-29. doi: 10.11729/syltlx20210158

摘要(2695) HTML (332) PDF(59)

摘要:
为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性，建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统，对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像，记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位，获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置，统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现：在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下，液滴粒径主要分布在200 μm以内，其中30～40 μm粒径占比最高，均在15%以上；三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大，边缘区域粒径较小；油温降低对雾化效果恶化显著，使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降；油温从28 ℃降至–20 ℃时，下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上，局部大于650 μm；–40 ℃时，喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构，燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性，获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。

背景纹影测量技术研究与应用进展

熊渊

2022, 36(2): 30-48. doi: 10.11729/syltlx20210173

摘要(3393) HTML (1800) PDF(462)

摘要:
背景纹影法是2000年左右新出现的非接触式光学测量技术，可用于变密度流动的可视化和相关折射率场的定量测量。与经典的刀片式（Knife-edge）、彩虹式（Rainbow）纹影测量技术比较，BOS具有硬件搭建简单、标定方便、测量视窗不受光学元器件尺寸限制等显著优点。通过详细介绍BOS方法的基本原理与核心性能指标，并依据搭建BOS流动测量系统的思路，回顾了近年来国内外BOS技术的发展情况，最后介绍了BOS技术在超声速流动、燃烧、等离子体等复杂流动领域的应用。

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

朱海军, 王倩, 梅笑寒, 吴羽, 赵长颖

2022, 36(2): 49-73. doi: 10.11729/syltlx20210110

摘要(4266) HTML (1390) PDF(562)

摘要:
本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。

流动聚焦中液体锥形形态和流动结构实验研究

康鹏, 郭鉴锋, 穆恺, 司廷

2022, 36(2): 74-81. doi: 10.11729/syltlx20210159

摘要(2397) HTML (219) PDF(55)

摘要:
流动聚焦(flow focusing)是一种制备单分散性微纳米尺度液滴、颗粒和胶囊的毛细流动技术，小孔上游稳定的液体锥形的形成是产生射流并高效制备微液滴的前提条件。采用量纲分析方法得到了被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对锥形稳定性的影响，利用吸气式流动聚焦装置观测了锥形界面形态及稳定性，验证了理论分析结果，通过调控主要过程参数获得了锥形稳定的参数区间。在被聚焦液体内部添加示踪粒子，采用高速摄影技术拍摄了流场图像并进行定量分析，探究了锥形内部的回流区结构及其变化规律，发现回流区的产生与锥形界面两侧的切向速度分布密切相关，被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对回流区的大小均具有显著影响。

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

赵航, 佘文轩, 高琪, 邵雪明

2022, 36(2): 82-91. doi: 10.11729/syltlx20210108

摘要(2335) HTML (293) PDF(82)

摘要:
梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明：梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。

高超声速快响应PSP测量技术研究进展

彭迪, 李永增, 刘旭, 焦灵睿, 刘应征

2022, 36(2): 92-101. doi: 10.11729/syltlx20210122

摘要(2458) HTML (299) PDF(140)

摘要:
高超声速流动中普遍存在转捩、分离和激波–边界层干扰等复杂流动现象，会导致飞行器表面压力分布复杂且变化剧烈。压敏涂料（PSP）具有非接触、高空间分辨率以及全场测量等显著优势，是高超声速气动测试亟需的精细化测量技术。近年来，随着PSP响应速度的提升与测量方法的发展，其应用已逐渐由常规低速/高速风洞测试拓展至高超声速领域，在高速运动模型测试方面也取得了突破。本文介绍了快响应PSP测量技术的最新研究进展，结合两类典型的高超声速风洞以及一种相对特殊的自由飞弹道靶设备，分别探讨了PSP测量技术的挑战与对策，并展示了相关应用实例，最后对高超声速快响应PSP测量技术研究进行了展望。

基于内窥火焰传感器技术的超声速燃烧感知实验研究

李忠朋, 周芮旭, 孟凡钊, 陈池, 李拓, 连欢

2022, 36(2): 102-114. doi: 10.11729/syltlx20220004

摘要(2351) HTML (189) PDF(42)

摘要:
高动态频响传感器及作动机构是高性能控制系统FADEC的关键技术之一。开发了一种基于被动火焰自发光谱的内窥式光纤火焰传感器进行光学诊断，初步验证了光纤火焰传感器数据的燃烧过程感知价值。基于中国科学院力学研究所的直连式超声速燃烧实验台，模拟了来流总温1475 K、总压1.68 MPa、马赫数5.6的发动机工作状态。在不同当量比和动量通量比条件下，使用新开发的内窥式光纤火焰传感器，测量了以CH*表征的燃烧释热率和以C₂*/CH*表征的局部当量比。结果表明：内窥式光纤传感器可感知燃烧室释热率的时空演变特性；内窥式光纤传感器可感知频域燃烧振荡特性，实验表明燃烧过程可能存在展向的热声振荡现象；内窥式光纤传感器C₂*/CH*光信号可感知局部当量比的时空演变特性，结合CH*光信号可应用于混合场与燃烧场关联性的研究；局部火焰质心位置的统计特征表征了剪切层稳焰模式和射流尾迹稳焰模式。

平板表面射流摩擦力场液晶涂层法测量与显示

赵吉松, 张金明, 王泊乔

2022, 36(2): 115-121. doi: 10.11729/syltlx20210106

摘要(2116) HTML (148) PDF(48)

摘要:
为了研究剪切敏感液晶（Shear Sensitive Liquid Crystal，SSLC）涂层在不同气流速度下用于测量和显示壁面摩擦力场的能力，应用SSLC涂层对不同速度下平板表面亚声速射流的摩擦力矢量场进行了测量，对带有激波单元的超声速射流摩擦力场及其动态特性进行了流动显示。研究结果表明：在定量测量方面，SSLC涂层能够在宽量程范围内快速、高分辨率地测量射流摩擦力矢量场，可用于射流摩擦力场随射流速度的变化特性研究；在流动显示方面，SSLC涂层可用于显示超声速射流的菱形激波单元等流场结构及其动态变化特性。

高超声速圆锥边界层不稳定性及转捩实验研究

刘是成, 姜应磊, 董昊

2022, 36(2): 122-130. doi: 10.11729/syltlx20210136

摘要(2275) HTML (205) PDF(50)

摘要:
在马赫数为6的条件下，利用红外热成像和高频脉动压力传感器（PCB）对前缘半径2 mm、半锥角7°的圆锥模型进行了边界层稳定性及转捩实验研究。实验结果表明，在常规高超声速风洞流场中圆锥三维边界层存在定常横流涡、低频和高频不稳定波；有迎角条件下，低频（15～50 kHz）和高频（210～340 kHz）不稳定波同时存在，圆锥边界层更容易发生转捩。随着迎角的增加，定常横流涡“条带”结构更加清晰，模型尾段的转捩阵面向迎风面移动，低频和高频不稳定波振幅增大、频带范围变宽；同一迎角下，增大单位雷诺数，低频、高频不稳定波和定常横流涡更早地出现并增长至饱和，且伴随着不稳定波的振幅增大和频带变宽，其中低频不稳定波比高频不稳定波更早出现。

基于粒子追踪测速的壁面摩擦应力测量

许德辰, 张悦, 刘欣乐, 李文丰

2022, 36(2): 131-138. doi: 10.11729/syltlx20210156

摘要(2288) HTML (269) PDF(82)

摘要:
采用微粒子追踪测速技术（Micro-Particle Tracking Velocimetry，µ-PTV）对近壁面的流场开展高空间分辨率测量，通过解析黏性底层的速度分布，应用一次线性回归计算得到壁面摩擦应力。测量了不同雷诺数（基于动量损失厚度）下的湍流边界层壁面摩擦切应力，在Re_θ =1200时获得了罕见回流事件的发生概率和流场结构。实验结果表明，采用µ-PTV技术可以实现壁面摩擦应力的准确测量，在Re_θ =1634～4070时，摩擦阻力系数测量误差小于2%。回流事件的概率极低，在Re_θ =1200时约为0.05%，尺度小于8×30个壁面单位，因此回流事件的测量对测量技术的空间分辨率要求较高；分析结果表明回流事件伴随壁面附近的强展向涡出现。

基于丙酮/CH₂O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

闫博, 孙永超, 朱家健, 吴戈, 万明罡, 田轶夫, 陈爽, 孙明波

2022, 36(2): 139-145. doi: 10.11729/syltlx20210111

摘要(2278) HTML (231) PDF(35)

摘要:
热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一，针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究，获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明：随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小，未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强；同时，随着激励声波相位的变化，未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取，获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程，并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

郭栋梁, 侯超, 朱臣, 熊文楠, 陈爽, 许晓斌, 杨华, 黄永安

2022, 36(2): 146-154. doi: 10.11729/syltlx20210115

摘要(2720) HTML (376) PDF(151)

摘要:
飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据，而风洞试验作为最有效的测试手段，通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术，集成了多种超薄柔性传感器阵列，通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面，在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验，分析风洞试验中采集获得的多种气动参数，验证了该系统的可用性，为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。

《实验流体力学》2021年度优秀论文与优秀审稿专家

2022, 36(2): 155-156.

摘要(222) HTML (75) PDF(26)

摘要:

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2022年第36卷第2期

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