高超声速大动压下整流罩分离测力风洞试验

针对高超声速试验模型整体式整流罩的反推火箭拔罩分离问题,开展了反推火箭喷流模拟方法和风洞测力试验装置设计研究,试验模拟了马赫数5、动压33 kPa时整流罩反推喷流干扰效应和分离距离影响,获得了反推喷流和分离距离影响下的整流罩气动特性。试验研究表明:反推火箭拔罩分离过程中,喷流干扰作用主导了整流罩的气动特性,使得法向力系数、轴向力系数和俯仰力矩系数分别出现了44.5%、32.4%和198.6%的最大变化量;在负迎角下,整流罩压心前移显著,使得静稳定设计的整流罩呈现出静不稳定性,不利于整流罩安全分离;分离距离越大,分离距离变化对整流罩气动特性的影响越弱;将分离初始迎角限定为小的正迎角,整流罩在分离过程中容易保持姿态稳定,有利于整流罩安全分离。

基于粒子图像分割的混合PIV-PTV算法

粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)因其非接触场测量的特性,已成为空气动力学领域的主要测量工具。复杂流动的速度场往往具有非均匀性,示踪粒子难以在待测空间均匀分布。因此,在应用PIV互相关算法处理粒子稀疏区时,需要采用更大的查询窗口以降低测量的不确定度,但会带来空间分辨率低的实际问题。而粒子追踪测速法(particle tracking velocimetry,PTV)追踪单个示踪粒子的跨帧位移,具有比PIV更高的空间分辨率,但难以适用于粒子浓度高的稠密区。针对PIV、PTV各自的优点,本文发展了一种基于粒子图像分割的混合PIV-PTV测速技术。首先定义了基于维诺多边形的粒子局部浓度量度,用以计算示踪粒子在粒子图像上的局部浓度场;其次通过设定的浓度阈值对粒子进行二分类,使用基于高斯核函数的支持向量机寻找出最优的分类边界,从而实现对粒子图像的粒子稀疏区和稠密区的划分;最后对两个区域分别使用PIV和PTV进行速度场计算,并合并为完整的速度场输出。仿真结果表明,上述方法可实现对粒子图像中的示踪粒子稀疏区和稠密区的自动划分,有效提高速度场测量的空间分辨率。将该方法应用在马赫数Ma=6的湍流边界层近壁测量中,可有效解决高速条件下粒子因强剪切难以进入边界层近壁区的问题,显著提高对近壁流动的解析能力。

低速增压风洞测力试验异常数据检测专家系统设计研究

针对低速增压风洞测力试验,分析气动特性曲线的原始数据源,以天平信号、流场状态和模型姿态为主要对象,结合试验控制流程,从单点数据向量、单车次数据矩阵和同期多车次数据集等维度,研究试验数据的异常检测方法策略,并以此为核心知识库,完成异常数据检测专家系统设计开发。试验过程中系统推理机自动在线执行,经过数据识别、规则推理、逻辑推理和知识迭代,实现原始数据的预检测和预诊断。试验应用结果表明,专家系统对天平桥压异常、线性段跳点和零点检测等异常类型检测敏感度高,为异常数据分析指引方向,提升问题数据排查效率。

涡流器流量试验不确定度评定及最优公式验证

对现有涡流器流量试验系统实测质量流量进行不确定度评定,发现实测质量流量(W_(a))的扩展不确定度(U_(cw))为3.91%,k=2.626,置信水平为99%,其中环境因素是最大的不确定度分量(u_(ρ)=1.447%)。为此,提出了3种换算公式来减小环境因素的影响,以提高试验精度。对3种换算公式的不确定度传播率公式和试验统计数据结果进行计算和分析,发现3种换算公式均可将试验精度提升到1.0%以内,可满足试验精度要求。换算公式B的扩展不确定度数值最小(U_(SB)=0.582%,k=2.632,置信水平为99%),不确定度大小约是换算前的1/6,因此,使用换算公式B换算后的结果误差更小、精度更高,可为涡流器合格品评定提供可靠的试验数据支撑,具有较好的工程应用价值。

航空发动机叶片多轴疲劳试验研究进展

近几年航空发动机叶片失效分析的统计表明,叶片失效多由离心力叠加异常振动的多轴疲劳载荷引起。总结现有单一载荷加载、双轴载荷加载等多轴疲劳试验方法的优缺点,并分析其在评价航空发动机叶片多轴疲劳时存在的问题。重点介绍目前国际上最新研制的可有效模拟发动机叶片受力状态的拉伸-弯曲振动多轴疲劳试验方法。建议尽快建立适合我国航空发动机叶片的多轴疲劳试验系统。

高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息。本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题。从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索。并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段。

激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究

介绍了在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)激波风洞中进行的摩阻测量技术研究情况。在测量研究中,设计了压电型摩阻天平,为了提高摩阻天平的校准和风洞试验测量结果精度,便于风洞试验和校准之间安装的变换,本项研究的摩阻天平采用一种新结构,也就是测量表面和摩阻天平本体可以分离的分体式结构,由此确保在不同使用场合下,摩阻天平的测量表面或者校准加载块可拆卸和更换。验证性试验是在CARDC 0.6m激波风洞中进行的,流场名义马赫数分别为8和10,单位雷诺数分别为2.85×107/m和1.58×107/m,试验中测量了带压缩拐角的进气道模型表面三个测点的摩擦阻力,也测量了摩阻测点及其附近热流,测量结果表明:模型表面的摩阻和热流与雷诺比拟准则符合得较好。

超声速气流磁流体加速初步实验研究

利用激波风洞,采用氦气驱动氩气,在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入电离种子K_2CO_3粉末,实现高温条件下导电流体的产生,设计了超声速喷管及磁流体加速实验段,采用大电容提供电能,开展了超声速气流磁流体加速初步实验研究.典型实验条件下,当喷管入口总压为0.704 9 MPa、理论平衡温度为8372.8K,喷管出口马赫数为1.5,电容充电电压为400V,磁感应强度为0.5T时,对电压电流特性、电导率、负载系数、电效率、加速效果等进行了测量或计算,主要结论有:磁场作用下的超声速气流的电导率的值大约在150S/m;磁流体加速通道负载系数约为4,电效率约为28%,平均输入功率约198kW;采用电参数测试方法对磁流体加速效果进行评估,速度增加约15.7%;超声速气流的电导率对加速通道的电效率及加速效果等有很重要的影响.

连续变迎角测力试验技术在大型暂冲式跨声速风洞中的应用

由于暂冲式高速风洞运行时间短暂,普遍采用阶梯变迎角方式进行静态测力试验,其试验信息量难以满足先进飞行器研制的试验需求。为在暂冲式高速风洞中获得更为详尽的气动力信息,在2.4m跨声速风洞中进行了连续变迎角测力试验技术应用研究。主要介绍了该项试验技术的基本特点,给出了J7标模的主要试验结果。结果表明,该项试验技术获得的气动力数据与常规阶梯方式具有很好的一致性,可以满足工程实用的要求。

激波风洞温敏热图技术初步试验研究

介绍了可用于激波风洞等高超声速脉冲设备复杂外形模型表面热流分布显示与测量的温敏热图技术。该技术利用温敏材料发光特性随温度变化的特点实现对模型表面的温度测量,进而分析获得其表面热流分布。由于有效运行时间一般只有10ms左右,在激波风洞中采用温敏热图技术在材料温敏响应、图像采集等方面均存在困难,导致此技术还很不成熟。介绍了近期在CARDC 0.6m激波风洞中开展温敏发光热图技术研究的情况,包括发光材料的研制、材料喷涂、图像处理及标定等方面的研究工作。验证试验采用了平板加钝舵模型,获得了与理论分析及传感器测量结果较一致的平板干扰区热图结果。热图与薄膜传感器测量数据差异大致在5%~25%之间。

2.4m跨声速风洞压敏漆测量系统研制与应用研究

近十几年来,由于压敏漆（Pressure Sensitive Paint、PSP）测量技术的不断完善与发展,国际上主要空气动力试验机构逐步将其应用于2m量级工程型风洞,完成模型表面压力测量、模型表面流动显示与CFD结果验证。在2.4m跨声速风洞建立了双组份、多光源和多CCD的PSP测量系统,解决了大型暂冲式跨超声速风洞试验存在的模型表面温度变化、光照均匀性与强度变化,以及模型振动、试验数据修正、喷涂与压敏涂料校准等诸多影响PSP测量结果精准度与可靠性的问题,并成功应用于大飞机测压模型和三角翼测压模型压力分布测量试验。试验结果表明：在小迎角范围压敏漆涂层对模型表面压力分布影响不明显;在试验马赫数0.4-0.82、模型迎角-4°-4°范围,PSP与传统电子扫描阀测量结果的Cp均方根偏差小于0.03,测量精准度与国外同量级连续式跨声速风洞相当。可以为飞行器气动优化设计和空气动力学研究提供一种新的、先进的测试技术。

磷光热图测热技术研究

磷光热图测热技术基于磷光材料的温度敏感特性,是应用于风洞热环境测量的新型全场热流测量方法,近年来在欧美等国得到了高速发展。在中国航天空气动力技术研究院搭建了一套磷光热图系统,采用20°压缩拐角模型开展了重复性试验及铂薄膜电阻温度计对比和纹影验证试验。试验结果表明:热流测量特征区域结果与纹影照片符合良好;技术自身重复性误差小于5%;平板热流与理论值误差小于10%;与铂薄膜电阻温度计的对比误差小于20%,此误差主要由铂薄膜电阻温度计的测量散布度引起。该技术通过单次试验获得模型全场热环境数据,且能够捕获热流峰值区域,是一种全面高效的热环境测量手段。

低速风洞模型自由飞试验飞行控制系统相似准则及模拟方法研究

低速风洞模型自由飞试验技术具有试验成本低、风险低、试验条件可控、试验数据精度高等优点,是支撑新型飞行器研制和新技术验证的重要试验技术。飞行控制系统作为风洞模型自由飞试验平台的核心系统,与原型机的系统相似是保证试验结果反映原型机稳定与控制特性的关键。从试验相似准则出发,针对飞行控制系统的相似要求进行分析和仿真,研究了其需要满足的相似关系及其模拟方法,分析了飞行控制律相似性转换的方法、系统采样频率的确定以及飞控系统部件动态特性对飞机响应的影响等问题,最后开展了试验验证,验证了飞行控制系统实现以及试验结果应用于原型机飞行稳定与控制响应特性预测的可行性,为低速风洞模型自由飞试验技术的发展与完善提供依据,为其工程化应用奠定基础。

高超声速飞行器相关的摩擦阻力直接测量技术

摩擦阻力是高超声速飞行器气动力的重要组成部分,也是制约高超声速飞行器发展的重要因素,因而对摩擦阻力的准确测量就显得尤为重要。简要介绍了近年国内外与高超声速相关的摩擦阻力直接测量技术的发展状况,同时对中国航天空气动力技术研究院自行研制的两套摩擦阻力测量装置作了介绍,并指出应变式摩阻天平技术是测量摩擦阻力的有效途径之一。文中给出了这两种结构形式摩阻天平的静校结果及其在高超声速风洞中的试验结果,并对结果进行了讨论。

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动/运动耦合机理的目的。发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题。针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法。结果表明:对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程。

三种跨声速洞壁干扰修正方法及其在小展弦比飞翼标模试验中的应用

在FL-24风洞进行了带壁压信息测量的小展弦比飞翼标模测力试验,并在FL-26风洞进行了洞壁干扰验证试验。本文利用小扰动位流壁压信息法、全速势位流方法、基于RANS的壁压信息法三种方法开展飞翼标模的洞壁干扰修正研究,并与试验结果进行了比较。结果表明,飞翼标模洞壁干扰呈现与翼身尾常规布局不同的规律,三种方法在飞翼标模洞壁干扰修正中有各自的适用性。

双曝光全息干涉法用于风洞中激波流场的研究

本文论述了双曝光全息干涉法在激波流场研究中的应用．对于形状不规则模型在超音速风洞中产生的激波流场，由于对这种流场进行数值计算几乎不可能，从实验上对其进行定量测量就显得尤为重要．本文很好地解决了某种不规则模型超音速激波流场的定量测量问题，获得了激波流场的有限条纹全息干涉图，并利用图象处理技术对干涉图进行了细化处理，再用人机交互的方式采集数据计算出条纹的位移量，最后用拉普拉斯变换法计算出流场的密度分布值．

基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术研究

针对表面摩阻传统测量方法的单点性和间接性,探索了荧光油膜进行全局表面摩阻分布的直接测量方法。建立了表征荧光油膜厚度与表面摩阻之间关系的油膜控制方程,引入附加约束和积分最小化方法,采用变分迭代方法求解表面摩阻分布。研制了可用紫外光激发的荧光油膜,采用紫外光源和高分辨率CCD相机,建立荧光油膜表面摩阻测量硬件系统。针对特定的三角翼模型进行了表面摩阻分布测量实验,获得了高分辨率的表面摩阻分布和相对幅值分布,并与文献理论进行比较分析。实验结果与理论分析完全一致,表明了基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术的有效性。

动态结冰孔隙结构三维建模方法

动态结冰内部呈现多孔结构特点,这一微观孔隙结构是影响其宏观物性的关键因素,然而传统方法难以对三维孔隙结构进行定量表征。为了客观刻画结冰微观结构特征,提出了基于结冰二维图像定量信息的三维微观结构建模方法。首先,研究并确定了真实结冰尺寸与建模区域之间的比例关系,分析比例尺对分辨率和建模的影响;其次,结合二维孔隙率和孔径分布函数,提出了三维孔隙数量及其孔径的推导方法,并给定了孔隙位置随机生成方法;基于此,最终建立了以0-1矩阵形式表征结冰三维微观孔隙结构的方法。实验表明,所生成三维结冰模型的二维孔隙定量信息与实验结果吻合度较高,建模方法准确可行,为动态结冰三维刻画、微观特征参数提取和相关微观仿真模拟提供了新途径。

CLEAN-SC算法在风洞声源定位与识别中的应用研究

为了从麦克风阵列测量中得到更清晰的声成像图,在阵列波束成形数据处理上运用反卷积技术抑制旁瓣越来越普及。传统的反卷积技术假设声源图是由阵列点扩散函数建立起来的,但在航空领域内实际被测声源波束图通常与合成得到的点扩散函数不一样,使得该技术在应用中受到较大限制。本文介绍另一种基于空间声源相干的波束成形反卷积技术,用迭代方法逐步地将声源图中与峰值声源空间相干的部分去掉,从而将旁瓣从实际被测的波束图中移除。基于该技术原理,在波束成形技术基础上发展了用于阵列数据处理的CLEAN-SC算法,应用于风洞声学测量中获得了开/闭口风洞中的起落架和翼型的声源分布特性。实验对比分析表明该阵列数据处理优化技术在空间声源定位和抑制旁瓣能力上比传统波束成形技术都有显著提高。