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带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

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物理学报 2013年第8期62卷 259-266页

作者：朱杨柱易仕和陈植葛勇王小虎付佳国防科技大学航天科学与工程学院长沙410073

超声速光学头罩在大气层内飞行时,需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却,致使窗口上方流场更为复杂.目标光线穿过窗口上方流场,受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变,导致成像出现偏... 详细信息

超声速光学头罩在大气层内飞行时,需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却,致使窗口上方流场更为复杂.目标光线穿过窗口上方流场,受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变,导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应.本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究.基于纳米示踪的平面激光散射技术,首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场,然后采用光线追迹法计算得到波长532nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference,OPD)分布,并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的OPD分布进行了研究.发现无喷流时,流场结构相对较为简单,窗口上方有较长的回流区和层流区,而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层,流动很快就转捩为湍流结构,其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态.无喷流状态相隔5μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348和0.0356μm,有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462和0.0485μm.

关键词：超声速喷流气动光学光程差

带喷流超声速后台阶流场精细结构及其运动特性研究

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物理学报 2015年第6期64卷 255-261页

作者：朱杨柱易仕和孔小平何霖国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073

采用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)对带超声速喷流的后台阶流动精细结构进行了研究.来流马赫数为3.4,喷流实测马赫数为2.45,而名义马赫数为2.5.结果清晰地揭示了激波、剪切层、混合层、Kelvin-Helmholtz涡、羊角涡及湍流大尺度... 详细信息

采用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)对带超声速喷流的后台阶流动精细结构进行了研究.来流马赫数为3.4,喷流实测马赫数为2.45,而名义马赫数为2.5.结果清晰地揭示了激波、剪切层、混合层、Kelvin-Helmholtz涡、羊角涡及湍流大尺度结构等大量典型流场结构.基于大量流场精细结构图像,对典型位置处的结构进行了空间两点相关性分析,在喷流混合层前端涡结构小于湍流充分发展的尾端,结构角相对也小.喷流工作时,模型台阶下游表面由一薄层气膜覆盖.获得了模型流向和不同高度展向平面内的流场结构,对照纹影试验结果,分析了流动特点及时间演化规律.采用微型压力扫描系统测试了模型表面的压力系数分布,靠近喷流下游处压力系数区域0.0146.针对NPLS图像做了流动的分形维数的分析,发现在流动初始阶段分形维数接近于1,越靠下游分形维数越高.

关键词：超声速后台阶喷流流场结构

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

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物理学报 2015年第8期64卷 131-140页

作者：张天天易仕和朱杨柱何霖国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073

背景纹影波前传感(background oriented schlieren based wavefront sensing,BOS-WS)是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段,可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差.为了利用BOS-WS技术获得光线因气动... 详细信息

背景纹影波前传感(background oriented schlieren based wavefront sensing,BOS-WS)是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段,可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差.为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息,并通过已知畸变信息还原原始图像,进而探索一种新型的超声速成像制导方法,本文通过理论分析,验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法,探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法.通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性,并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理.通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验,创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法,并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.

关键词：气动光学背景纹影光学畸变波前重构

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带喷流的超声速光学头罩流动显示

北京航空航天大学学报 2013年第1期39卷 105-108页

作者：朱杨柱易仕和田立丰陈植国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层... 详细信息

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.

关键词：基于纳米示踪的平面激光散射流动显示气动光学喷流

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强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究

物理学报 2014年第18期63卷 457-468页

作者：陈植易仕和朱杨柱何霖全鹏程国防科技大学航天科学与工程学院长沙410073

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,... 详细信息

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,粒子将经历由多道激波导致的速度、压力、黏性等剧烈变化.本文结合目前(高)超声速飞行器的研究热潮,重点关注示踪粒子在应用于发动机内部具有连续激波的复杂流场测量中存在的跟随性评估方面,开展了一系列的相关试验研究.包括测量超声速风洞的喷管出口速度分布以验证测试系统的性能,在马赫4.2和3.0流场中测量了粒子对二维10°和15°单斜劈绕流中的斜激波动力响应,并测量了模拟发动机内部连续梯度的双斜劈粒子斜激波动力响应.结合粒子动力学的理论模型,得到了各状态的粒子弛豫时间、弛豫距离、Stokes数.基于图像方法、统计学规律分析了激波非定常抖动对测量结果的影响,并对测量结果进行了修正.结果显示,相同斜劈角度下,马赫数越高,粒子的弛豫时间、弛豫距离就越大.但是在相同的来流马赫数下,斜劈角度越大,粒子的弛豫时间、弛豫距离反而减小.在强梯度之后由于流场的雷诺数和黏性系数变化剧烈,粒子的跟随性降低了大约5.7%,stokes数增加了约1%.虽然在本文条件下Stokes数仍满足超声速流场对粒子跟随性的要求,但粒子响应的降低无疑是值得关注的,尤其是当其被应用于具有更多连续梯度的复杂流场测量中.

关键词：粒子动力学超声速流动激波试验测量

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基于流动显示的压缩拐角流动结构定量研究

物理学报 2015年第1期64卷 150-159页

作者：武宇易仕和何霖全鹏程朱杨柱航天科学与工程学院国防科技大学长沙410073

在Ma=3.0的超声速风洞中,采用NPLS技术对上游边界层为层流的25?压缩拐角进行了流动显示实验,获得了压缩拐角的精细流动结构,边界层、剪切层和激波等结构清晰可见.基于流动显示数据,采用间歇性、空间相关性和分形分析对流动结构进行了定... 详细信息

在Ma=3.0的超声速风洞中,采用NPLS技术对上游边界层为层流的25?压缩拐角进行了流动显示实验,获得了压缩拐角的精细流动结构,边界层、剪切层和激波等结构清晰可见.基于流动显示数据,采用间歇性、空间相关性和分形分析对流动结构进行了定量研究,计算了边界层和分离区的间歇因子分布,获取了边界层中拟序结构和结构角的大小,给出了边界层分形维数的分布,并与Ringuette和Bookey等的实验结果进行比较,阐述了压缩拐角流动结构的定量特征.

关键词： NPLS 间歇性空间相关性分形

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(高)超声速流动试验技术及研究进展

航空学报 2015年第1期36卷 98-119页

作者：易仕和陈植朱杨柱何霖武宇国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它... 详细信息

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。

关键词：超声速流动气动光学激波边界层高超声速静风洞纳米示踪平面激光散射技术

喷流致冷的超声速光学头罩流动及气动光学机理试验研究

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喷流致冷的超声速光学头罩流动及气动光学机理试验研究

作者：朱杨柱国防科学技术大学

学位级别：硕士

精确制导导弹在大气中作超声速或高超声速飞行时,高速流场与光学头罩相互作用,形成激波、膨胀波、湍流边界层等复杂结构,引起光线的偏移、抖动、模糊、能量衰减,即所谓的气动光学效应,降低制导精度。另外在高速气流作用下,光学窗口表面... 详细信息

精确制导导弹在大气中作超声速或高超声速飞行时,高速流场与光学头罩相互作用,形成激波、膨胀波、湍流边界层等复杂结构,引起光线的偏移、抖动、模糊、能量衰减,即所谓的气动光学效应,降低制导精度。另外在高速气流作用下,光学窗口表面温度会急剧升高,影响窗口的性能,因此需要对光学窗口进行冷却。在光学窗口表面射入低温超声速气流覆盖住光学窗口,是一种有效的冷却方式,但这将使流场变得更为复杂而引起更严重的气动光学效应。本文对带喷流冷却的超声速光学头罩流场及其气动光学效应进行了试验研究。试验来流马赫数为3.8,喷流马赫数为2.5,设置三种试验状态即无喷流状态、喷流出口压力与外流压力匹配状态、喷流出口压力大于外流压力状态。采用具有高时空分辨率的NPLS技术,获得了三种状态下的超声速光学头罩流场的时空精细结构。无喷流时,流场中的弓形激波、膨胀波、回流区、再附区、层流边界层、湍流边界层得到了清晰再现,有喷流时光学窗口上方则清晰可见混合层结构,喷流形成超声速气膜将外部绕流与窗口隔开,起到冷却作用,喷流压力大于外流压力时,流场中波系结构相对更为复杂,且混合层层流长度缩短,湍流区域增加。分别对三种状态下间隔5微秒的两幅NPLS图像分析发现流动的时间演化特征,并通过对大量NPLS图像处理得到流场的时间平均图像,分析流场的时间平均特征。基于NPLS的速度场测量技术,利用纳米粒子作为示踪粒子,并综合采用多种高精度PIV算法,能够实现对超声速三维复杂流场某一截面的速度场测量。采用该技术分别对三种状态流场的速度分布进行了测量,结果成功反映了流场的速度分布,揭示了有无喷流情况下的流场动力学特性。为进一步分析光线穿过光学窗口上方流场的畸变规律,利用基于NPLS的超声速密度场测量技术对三种状态的流场分别进行了密度测量,得到三种状态的瞬态密度场、时间平均密度场及瞬态脉动密度场,空间分辨率达微米量级,分析时间相关的密度场可以发现流场密度随时间的演化。基于得到的高时空分辨率密度场,引入光线追迹方法,对入射波长532nm的平面光波穿过光学窗口上方流场后的波前畸变进行了分析,无喷流时波前畸变曲线相对较为简单,而有喷流时则变得更加复杂。更进一步地,对光学窗口上方的层流边界层、湍流边界层、混合层及各种大尺度结构对波前畸变的影响作了分析。

关键词：超声速光学头罩精细结构冷却喷流气动光学波前畸变

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激波与层流/湍流边界层相互作用实验研究

物理学报 2014年第8期63卷 239-243页

作者：全鹏程易仕和武宇朱杨柱陈植国防科技大学航天科学与工程学院长沙410073

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条... 详细信息

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场;综合运用NPLS结果和PIV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性,实验结果表明:层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状,而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆;在入射激波上游距入射点较远的位置,层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系,进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波,而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波;在入射激波下游,层流边界层内的膨胀区域较小且急促,膨胀后产生的再附激波很弱,而湍流边界层内的膨胀区域较大,膨胀后产生的激波较强。

关键词：激波边界层层流湍流流动分离