基于NPLS技术的超声速流动密度场测量方法研究

受激波、湍流等多种因素的影响,超声速流动的密度场在空间和时间上呈现出明显的不均匀性和非定常性,给测量带来困难.现有超声速密度场测量方法存在着时空分辨率不高、测量三维密度场能力有限或信噪比低等问题,我们基于NPLS技术（Nano-based planar laser scattering,基于纳米技术的平面激光散射）,提出了一种新的超声速密度场测量方法.该方法通过校准NPLS图像灰度与流场当地密度的关系,可测量超声速三维流场某一截面上时间相关的瞬态密度分布.NPLS方法具有高时空分辨率和高信噪比等特点,我们提出的以NPLS为基础的新的超声速密度场测量方法能很好地测量超声速流场中激波结构和复杂涡系结构带来的密度变化.作为应用实例,我们采用该方法对超声速光学头罩对称面密度场进行了测量,测量结果空间分辨率达到93.2μm/pixel,再现了激波、湍流边界层等精细流场结构;对比时间间隔5μs的测量结果,可得出密度场随时间的演化规律.     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

超声速混合层气动光学畸变与抖动 ——BOS测量技术及其应用

超声速混合层的气动光学畸变与抖动严重恶化其光学性能, 但现有测量技术限制了相关研究的时空分辨率. 通过系统集成与开发, 提出了基于背景纹影(background orient schlieren, BOS)矢量场的高分辨率全场气动光学畸变与抖动测量方法, 分析了BOS的系统结构、灵敏度与分辨率等基本问题. 利用BOS研究了超声速混合层流向结构的气动光学畸变与抖动, 定量化不稳定涡运动造成的气动光学效应, 利用时间相关技术确定了气动光学抖动效应的时间尺度. 超声速混合层展向结构的畸变场展示了光线穿越超声速混合层流场所出现的条带型畸变结构, 这种结构是制约其光学性能的主要瓶颈之一. 气动光学畸变与抖动效应的定量化为超声速混合层光学应用提供了重要的实验依据.     

超声速湍流混合层实验图像的分形度量

以高时空分辨率的纳米平面激光散射（NPLS）实验技术为基础,在SML-1风洞中完成了超声速混合层的流动显示实验．相应的实验图像清晰地再现了层流、转捩及湍流区的流场结构,空间分辨率满足分形度量的要求．给出并比较了测量分形维数的两种常用方法,采用计盒维数法测量了超声速混合层转捩区和完全发展湍流区的分形维数．转捩区的分形维数随着湍流脉动的增强而增加．完全发展湍流区的分形维数并不会因为流场结构不同而有较大的变化,表面上杂乱无章的湍流界面具有基本相同的分形维数,体现了湍流流动的自相似性．