摘要：以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering,NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层(Mc=0.5)的混合增强效果.首先通过系列实验优化设计了扰动参数.实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感.二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展.总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动.由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.

摘要：为了克服强迫振动诱导混合增强难以工程实现的缺陷,提出隔板自激振动诱导混合增强的新技术,而设计最优自激振动频率的隔板是该技术的难题。采用平板开凹腔的隔板构型,通过实验手段并结合数值仿真,分析了凹腔隔板的自激振动特性。研究表明,凹腔的声学自激振荡引起压力随时间的波动是隔板自激振动的直接原因;隔板的约束条件与凹腔的构型参数长深比、后缘倾角对自激振动特性有重要影响;自激振动频率与限位尺寸呈反相关,当限位尺寸为0时,频率提高了324.63%;与凹腔长深比K=1时相比,K=7的频率降低了19.36%。自激振动频率与后缘倾角呈正相关,后缘倾角为90°时,频率提高了23.15%。改变约束条件可大幅提高自激振动频率,是隔板优化设计的一个重要方向。

摘要：为研究超声速混合层增长速度,在自行设计的超声速湍流混合风洞中,分别采用常规连续光源与脉冲激光光源完成相应的纹影和NPLS实验。采用对比度调整和边缘检测方法对实验图片进行处理,得到了适合于定量测量混合层增长速度的图像。给出了相应的增长速度测量方法,并对相应的实验图像进行了定量测量与比较。

摘要：利用大涡模拟方法对受周期性控制的超声速混合层进行数值模拟,揭示出受控涡结构的特性;使用光线追踪方法计算光束穿越受控混合层流场产生的气动光学波前畸变。通过对受控涡结构特性的分析,提出了一种气动光学效应校正方法,并以不同控制周期下的超声速混合层为例,对设计的校正方法进行检验。结果表明:对于受周期性控制的超声速混合层,按照校正方法获取的波前补偿信号能够使气动光学波前畸变的幅值降低50%以上;指出混合层流场中涡结构的规整程度是影响畸变波前校正效果的关键因素。

摘要：为获得受限空间内激波作用下的超声速混合层生长规律,以支板喷射超燃冲压发动机典型流道为研究对象,开展了2.3Ma氢气射流与2.0Ma空气来流所形成的超声速混合层的生长特性研究.基于OpenFOAM计算平台,采用大涡模拟方法,数值研究了超声速混合层的流场结构和特征,流场结构和组分分布与实验结果吻合较好.通过超声速混合层组分浓度、厚度、可压缩效应及总压损失的分析,获得了超声速混合层的生长特性.研究结果表明:受限空间内超声速混合层的生长过程具有4个典型阶段,支板末端的膨胀波/激波结构会显著减低对流马赫数,从而降低混合层的可压缩性,促进混合层的生长;激波与混合层的相互作用能够增强局部湍流强度,获得涡量增益,加快混合层的生长速率,促进混合效率,但同时会引起较大的总压损失,降低发动机性能.发动机设计时要综合考虑波系结构与混合层相互作用带来的混合增强和总压损失,实现性能优化.

摘要：超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明:当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。

摘要：为了测量复杂流动速度分布,基于分子标记示踪原理建立了飞秒激光电子激发标记(FLEET)测量装置。开展了超声速混合流动速度分布测量实验,获得了马赫数3.0射流分别与马赫数2.0,2.5及2.9射流形成的混合流动速度分布的测量结果;结合大涡模拟和纹影实验,显示了混合层的流场结构。利用延迟10μs的荧光标记线与荧光基线的位移差,分析得出实验中FLEET速度测量的不确定度优于5 m/s;在高低速主流区,FLEET测量的速度结果与计算结果基本一致;在混合层,FLEET实现了较大梯度的速度分布测量,混合层的厚度与纹影实验结果符合较好。实验表明,建设的FLEET装置具有较强的工程实验能力,能够实现超声速混合层等复杂流动速度的分布测量。

摘要：为进一步揭示超声速来流下混合层流场演化过程物理机制,采用高精度计算方法对超声速来流下混合层流动及生长特性开展数值研究。首先,采用经典算例深入验证了本文所发展计算程序在复杂流场预示方面的精度和可靠性。然后,对四种不同构型隔板下混合层流动及生长机制进行了深入分析。研究结果发现,在典型隔板构型中引入凹腔、楔形角及凸台结构后,整体流场结构变得更为复杂,且诱发了更为剧烈的混合层的涡卷起、配对、合并、旋转等流体物理现象。在典型隔板工况中混合层出现了再层流化现象,而引入凹腔、楔形角及凸台结构后能够有效抑制混合层出现再层流化现象。此外,所有隔板构型工况下湍流转捩区雷诺应力均出现了“多峰值”现象,但典型隔板工况的混合层附近的湍动能明显小于其余工况,同时,典型隔板工况的雷诺应力峰值与分布范围明显小于其余工况。就本文研究工况而言,在出口处楔形角隔板工况的混合效率最高,为0.050;同时其混合层厚度也最大,达到27.9 mm;但楔形角隔板工况的总压损失也最大,为0.22。