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超声速后台阶湍流结构试验及其相关技术研究

作　者: 陈植
导　师: 易仕和
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 超声速湍流精细结构 PIV 后台阶超声速密度场测量湍流脉动
分类号: V216.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超声速湍流是超声速/高超声速飞行器表面流场及燃烧室内流研究极为关注的问题。然而湍流理论对超声速湍流特性的预测、分析以及湍流模型对超声速湍流流场的模拟往往存在模型假设不准确或结果与试验相差太大等不足。因此,需要通过试验为湍流理论、湍流模型的改进、优化,提供准确、全面的超声速湍流数据,以更好地解决超声速飞行器的湍流问题。超声速后台阶流动是超声速/高超声速飞行器的复杂流场中普遍存在的典型湍流,其流动机理值得深入研究。而为更好地开展超声速后台阶湍流试验、克服传统试验设备及测试技术在超声速湍流试验中的缺陷,需要研究能够模拟飞行器高空低噪声、低湍流度的真实飞行环境的静风洞并开展相关的精细测试技术研究。本文设计了一座Φ120 Ma = 6.0高超声速静风洞,论述了其总体设计、喷管设计及稳定段设计。该高超声速静风洞为暂冲、吹气式,其总压模拟接近实际的弹道飞行指标,有效试验时间约20s。静风洞喷管设计采用了基于Bézier曲线的短化喷管技术结合喉部边界层抽吸,并通过数值模拟对喷管流场进行仿真。结果表明喷管内流场均匀,沿喷管轴线压力、马赫数光滑过渡,且喷管出口截面上流场参数分布均匀;椭圆前缘的喉部抽吸缝设计可实现对边界层的适度抽吸。采用了镜面加工工艺,保证了喷管壁面的光洁度从而尽可能地保证了喷管边界层的层流化。而稳定段的设计则考虑到降噪、稳流的目的,安装了孔锥、阻尼网、消音器等结构,并设置了多个温度、压力测量孔。预期稳定段后总压脉动小于0.1%,速度脉动值不大于1%。目前风洞建设已经基本完成,即将进入风洞调试阶段。本课题组近年来开发的NPLS(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering)精细结构流动显示技术以及基于NPLS原理的超声速PIV技术和超声速密度场测量技术,具有高时间—空间分辨率的特点,是湍流试验研究的精细测试技术。本文对这些先进技术在Ma = 3.0超声速后台阶试验中的应用进行研究。NPLS是一种以纳米粒子为示踪粒子、能够对超声速复杂流场的某一截面进行瞬态测量的精细结构测试技术,其空间分辨率高达微米量级,时间分辨率6ns ,时间相关分辨率最高可达0.2μs。而基于NPLS原理的超声速PIV,解决了超声速流场中的粒子跟随性问题,提高了超声速PIV测量数据的可靠性。基于NPLS原理的超声速密度场测量技术在去除NPLS图像中背景噪声、光强分布不均匀等因素的影响后,利用斜激波校准方法提取NPLS图像灰度与当地流场密度的关系,进而给出了流场密度分布结构以及定量数据。本文采用NPLS技术对超声速后台阶进行了流动显示测量。从整体及局部细节上清晰地展示了流动的整体发展规律及流场精细结构,包括分离前的台阶上游边界层、分离产生的回流区、剪切层、压缩波、再附激波等结构。并比较了超声速层流后台阶与超声速湍流后台阶在流动结构上的差异,结果表明相对超声速湍流后台阶而言,超声速层流在后台阶上游的平板边界层厚度较小并且发展稳定、缓慢,绕过台阶后形成的分离区较长,再附点位置相对靠下游,再附激波较弱,重新发展的壁面边界层为未充分发展的湍流。对超声速后台阶流场进行了速度场测量采用了基于NPLS原理的超声速PIV系统。通过大量的实验测量得到了流场的瞬时特性、统计平均特性以及脉动特性,分析了其平均速度场、脉动速度场的特点。并采用POD分析了回流区U、V方向速度及速度矢量的主、次特征,揭示了某些在统计平均作用下被抹平的流场细节。基于速度场脉动分布,分析了回流区湍流强度、湍动能等湍流特性参数的分布特点,结果表明这些参数的分布与流动分离产生的剪切层结构有明显的对应关系,说明了剪切作用流场湍流特性的影响非常显著。通过大量的试验测量以及统计分析,结果表明超声速层流后台阶再附点位置在8.47h附近,再附区长度约为3.8h;而超声速湍流后台阶再附点位置在4.18h附近,再附区长度约为3.4h。该结果与目前文献中的有关研究所揭示的规律一致。本文采用基于NPLS原理的超声速密度场测量技术对后台阶流场各典型区域进行了密度场测量,得到了瞬态密度场、平均密度场,为进一步的分析提供了重要的密度场信息。通过与NPLS图像及k ?ε湍流模型仿真的结果的比较可以得出,三者揭示的流动机理一致,而该技术能够实现对超声速流场瞬态密度分布的精细测量,具有高时间-空间分辨率的特点。

全文目录

摘要  15-17
ABSTRACT  17-19
第一章绪论  19-42
  1.1 超声速湍流对试验研究的需求  19-22
  1.2 后台阶流动研究进展  22-36
    1.2.1 概述  22-24
    1.2.2 后台阶流动试验研究  24-28
    1.2.3 后台阶流动数值研究  28-31
    1.2.4 后台阶流动控制研究  31-35
    1.2.5 Standford 国际会议对后台阶流动一些讨论  35-36
  1.3 超声速湍流测试技术的发展  36-39
    1.3.1 流动显示测试技术  36-37
    1.3.2 速度测试技术  37-38
    1.3.3 密度测试技术  38-39
  1.4 本文的主要工作及研究意义  39-42
    1.4.1 研究意义  39-40
    1.4.2 本文主要工作  40-42
第二章风洞试验设备研究  42-61
  2.1 超声速/高超声速静风洞技术  42-56
    2.1.1 超声速/高超声速静风洞的发展  43-45
    2.1.2 高超声速静风洞设计整体方案  45-47
    2.1.3 超声速/高超声速静风洞喷管技术  47-54
    2.1.4 静风洞稳定段技术  54-56
  2.2 低噪声超声速风洞  56-59
    2.2.1 风洞气动及结构设计  56-57
    2.2.2 风洞调试校测  57-59
  2.3 小结  59-61
第三章超声速/高超声速湍流精细测试技术  61-71
  3.1 NPLS 精细结构流动显示技术  61-63
    3.1.1 NPLS 系统组成及运行原理  61-62
    3.1.2 NPLS 系统性能验证  62-63
  3.2 基于NPLS 原理的PIV 技术  63-67
    3.2.1 基于NPLS 原理的PIV 系统的组成及原理  64-65
    3.2.2 超声速/高超声速流场速度场PIV 测量的若干问题  65-67
  3.3 基于NPLS 原理的超声速密度场技术  67-69
    3.3.1 基于NPLS 原理的超声速密度场技术介绍  68
    3.3.2 超声速可压缩湍流密度场测量应用  68-69
  3.4 小结  69-71
第四章超声速后台阶流动显示研究  71-81
  4.1 二维超声速后台阶流动显示  71-73
  4.2 局部典型区域流动显示  73-79
    4.2.1 台阶上游边界层  75-76
    4.2.2 回流区  76-77
    4.2.3 再附区  77-78
    4.2.4 再附下游边界层重新发展区域  78-79
  4.3 小结  79-81
第五章超声速后台阶绕流速度场测量与分析  81-107
  5.1 典型区域速度场分布  81-90
    5.1.1 超声速层流后台阶绕流  81-86
    5.1.2 超声速湍流后台阶绕流  86-90
  5.2 POD 重构与分析  90-103
    5.2.1 POD 基本理论  91-95
    5.2.2 重构与分析  95-103
  5.3 回流区湍流相关参数结果与分析  103-105
    5.3.1 速度脉动  103-104
    5.3.2 湍动能与湍流强度  104-105
  5.4 再附点位置、回流区长度  105-106
  5.5 小结  106-107
第六章超声速湍流后台阶密度场测量与分析  107-112
  6.1 超声速湍流后台阶典型区域密度场分布  107-111
    6.1.1 台阶上游湍流边界层密度场  107-108
    6.1.2 回流—再附区密度场  108-109
    6.1.3 再附之后边界层再发展区域  109-111
  6.2 小结  111-112
第七章总结与展望  112-116
  7.1 总结  112-114
  7.2 展望  114-116
致谢  116-117
参考文献  117-123
作者在学习期间取得的学术成果  123

超声速后台阶湍流结构试验及其相关技术研究

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