用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法技术方案

本申请公开了用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法，所述实验系统包括实验测试段和超高帧频流场测量系统，所述超高帧频流场测量系统包括多腔激光器、阵列CCD相机、同步控制器、光电信号采集及数据处理装置、纳米粒子发生器。本申请使一定入射激波强度范围内SWTBLI过程的序列精细流动结构图像、壁面压力分布可测，可实现对激波诱导分离位置及分离区大小进行吹吸流动控制，从而增强或减弱分离区大小，改变激波对边界层的作用，并且通过图像可以分析干扰区域分离泡等大尺度结构的特征时间尺度及特征频率，有利于开展SWTBLI流动结构时间演化过程及非定常运动特性等的实验研究，填补了国内目前没有基于图像、压力及吹吸流动控制同步开展SWTBLI非定常特性分析的空白。白。白。

【技术实现步骤摘要】
用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法


[0001]本申请涉及空气动力学实验设备
，特别地，涉及一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法。

技术介绍

[0002]激波与湍流边界层干扰(Shock Wave/Turbulent Boundary Layer Interactions，简称SWTBLI)问题广泛存在于各类超声速或高超声速飞行器的外部和内部流动中，是飞行器高速飞行过程中一种普遍存在的典型流动现象，主要有平板
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入射激波干扰、压缩拐角、内流道干扰、后掠压缩拐角、柱
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裙干扰等。激波与边界层干扰是来流壁面流场在激波作用产生的逆压梯度的作用下诱导产生的复杂流动现象，在激波与边界层干扰过程中又存在激波非定常机制、高热流产生机制、湍流结构与激波相互作用机制、激波及分离的三维特征、涡产生机制等关键问题。而激波与边界层干扰的非定常特性与来流的马赫数、来流壁面边界层中流动的特征、激波的产生方式、入射激波的能量强度等都有着紧密的关系，并且对超声速或高超声速飞行器的飞行性能具有重要的影响，具有十分重要的理论研究价值和工程应用背景。
[0003]最近几年随着流动显示等技术的迅猛发展和数值仿真能力的大幅提高，激波与边界层干扰的研究也迈上了新的台阶。Andreopoulos等人通过开发条件取样技术将激波边界层干扰过程中诱导激波的振荡和来流流场特性有效分开，研究表明诱导激波的非定常特性与来流壁面流场中的频率特性有着紧密的联系，并且来流特性在经过激波的作用后会被明显放大。Pirozzoli等人采用DNS方法研究激波与边界层干扰，开发了能够预测噪声特征频率的简化共振模型，并且研究指出了激波与边界层干扰过程中大尺度结构的非定常特性与来流流场中的噪声反馈有关。赵玉新等人首次将NPLS流动显示技术用于激波与边界层干扰的实验研究中，观测到了不同偏折角时SWTBLI干扰区域流场中的微尺度结构。何霖等人获得了不同入射激波强度条件下激波与边界层干扰流场的流向平面和展向平面精细结构，并对其速度场进行分析。全鹏程等人通过NPLS技术得到了层流和湍流边界层状态下干扰区域流场精细结构，指出了不同来流边界层状态下分离泡的结构特征。Wang等人给出了通过在壁面来流流场中添加微型涡流发生器进行流动控制实验的条件下激波边界层干扰区域的流场精细结构，得到了其产生控制机理与来流壁面流场中的时均结构有关。陶渊以高超声速进气道中关注的起动或不起动问题为研究背景，采用数值模拟、风洞实验等方式重点研究了进气道中激波与边界层干扰的各种现象。He等人使用线性偏振成像方法进行流动可视化测量激波与湍流边界层干扰，代替传统成像方法中使用的强度信息。
[0004]尽管目前对激波与边界层干扰的研究取得了很多成果，但是调研中没有通过时间相关图像中流动精细结构进行时间演化过程研究的，并且通过不同位置吹吸装置实现对激波诱导分离位置及分离区大小进行控制来改变激波对边界层作用的研究方案也未查询到，即现有实验技术没法实现高分辨率时间相关的序列精细流动结构与被测流场区域壁面压力分布进行同步且可控的测量。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供了一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，以解决现有SWTBLI非定常特性研究的实验技术没法实现高分辨率时间相关的序列精细流动结构与被测流场区域壁面压力分布进行同步测量技术问题。
[0006]本申请采用的技术方案如下：
[0007]一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，包括：
[0008]实验测试段，其前端面与风洞实验台喷管出口对接，后端面与真空实验环境连接，用于为SWTBLI非定常特性研究提供对接接口与相应的实验环境，包括偏折角θ、激波理论入射点位置的调节；
[0009]超高帧频流场测量系统，所述超高帧频流场测量系统包括：
[0010]多腔激光器，用于提供≥8帧脉冲能量300mJ、片光束腰处厚度小于1mm、连续相同时间间隔Δt的脉冲激光光源，并持续照明实验测试段的流场观测区域，所述时间间隔Δt连续可调；
[0011]阵列CCD相机，用来对脉冲激光光源照亮的实验测试段的流场观测区域进行流场图像采集；
[0012]同步控制器，用来协同多腔激光器、阵列CCD相机、纳米粒子发生器、光电信号采集及数据处理装置同步工作；
[0013]光电信号采集及数据处理装置，用于控制各部分协同工作，并采集、存储和处理所有实验过程的压力、流场图像数据；
[0014]纳米粒子发生器，用于提供实验过程中流场示踪颗粒，增强流场识别的散射信号。
[0015]进一步地，所述实验测试段包括：
[0016]实验测试段壳体，呈筒状且两端均设置有法兰，其中部设置有用于观察内部状况的现场观察区域；
[0017]入射激波产生调节装置，安装设置在所述实验测试段壳体内，用于调节入射激波的入射位置范围和激波角；
[0018]壁面边界层吹吸流动控制装置，安装设置在所述实验测试段壳体一侧，用于根据实验验证需要，分别给所述实验测试段壳体内的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域增加吹吸流动控制。
[0019]进一步地，所述入射激波产生调节装置包括：
[0020]斜劈，中部通过第二铰链铰接设置在所述实验测试段壳体内壁的长圆槽内，所述长圆槽与流向方向平行；
[0021]激波角调节装置，安装设置在所述实验测试段壳体上侧面，且与所述斜劈的后端相铰接；
[0022]入射位置范围调节装置，安装设置在所述实验测试段壳体上侧面，且与所述激波角调节装置相连接，用于调节所述斜劈在所述实验测试段壳体内沿流向方向上进行一定长度范围内的移动。
[0023]进一步地，所述激波角调节装置包括：
[0024]角度调节手柄，所述角度调节手柄的末端与设置有螺纹套杆；
[0025]调节螺杆，所述调节螺杆的一端与螺纹套杆螺纹连接，另一端通过第一铰链与所
述斜劈的后端相铰接；
[0026]调节板，所述调节板设置有与所述角度调节手柄螺纹配合的螺纹孔；
[0027]光电编码器，设置在所述第二铰链处，用于实时检测所述斜劈的激波角；
[0028]锁紧螺母，与所述角度调节手柄的外螺纹相配合，用于锁紧角度调节手柄与调节板的相对位置关系。
[0029]进一步地，所述入射位置范围调节装置包括：
[0030]支撑板，滑动配合地支撑设置在所述调节板底部；
[0031]流向位移平台，与所述调节板驱动连接，用于驱动所述调节板在支撑板上相对移动，从而调节所述斜劈在所述实验测试段壳体内沿流向方向上进行一定长度范围内的移动。
[0032]进一步地，所述壁面边界层吹吸流动控制装置包括：
[0033]三个流动控制区域吹吸驻室，分别设置在所述完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域的边界层，用于对三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制；
[0034]三个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，包括：实验测试段(2)，其前端面与风洞实验台喷管出口对接，后端面与真空实验环境连接，用于为SWTBLI非定常特性研究提供对接接口与相应的实验环境，包括偏折角θ、激波理论入射点位置的调节；超高帧频流场测量系统，所述超高帧频流场测量系统包括：多腔激光器(1)，用于提供≥8帧脉冲能量300mJ、片光束腰处厚度小于1mm、连续相同时间间隔Δt的脉冲激光光源，并持续照明实验测试段(2)的流场观测区域，所述时间间隔Δt连续可调；阵列CCD相机(3)，用来对脉冲激光光源照亮的实验测试段(2)的流场观测区域进行流场图像采集；同步控制器(4)，用来协同多腔激光器(1)、阵列CCD相机(3)、纳米粒子发生器(6)、光电信号采集及数据处理装置(5)同步工作；光电信号采集及数据处理装置(5)，用于控制各部分协同工作，并采集、存储和处理所有实验过程的压力、流场图像数据；纳米粒子发生器(6)，用于提供实验过程中流场示踪颗粒，增强流场识别的散射信号。2.根据权利要求1所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述实验测试段(2)包括：实验测试段壳体(22)，呈筒状且两端均设置有法兰，其中部设置有用于观察内部状况的现场观察区域(23)；入射激波产生调节装置(21)，安装设置在所述实验测试段壳体(22)内，用于调节入射激波的入射位置范围和激波角；壁面边界层吹吸流动控制装置(24)，安装设置在所述实验测试段壳体(22)一侧，用于根据实验验证需要，分别给所述实验测试段壳体(22)内的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域增加吹吸流动控制。3.根据权利要求2所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述入射激波产生调节装置(21)包括：斜劈(217)，中部通过第二铰链(218)铰接设置在所述实验测试段壳体(22)内壁的长圆槽内，所述长圆槽与流向方向平行；激波角调节装置，安装设置在所述实验测试段壳体(22)上侧面，且与所述斜劈(217)的后端相铰接；入射位置范围调节装置，安装设置在所述实验测试段壳体(22)上侧面，且与所述激波角调节装置相连接，用于调节所述斜劈(217)在所述实验测试段壳体(22)内沿流向方向上进行一定长度范围内的移动。4.根据权利要求3所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述激波角调节装置包括：角度调节手柄(211)，所述角度调节手柄(211)的末端与设置有螺纹套杆(215)；调节螺杆，所述调节螺杆的一端与螺纹套杆(215)螺纹连接，另一端通过第一铰链(216)与所述斜劈(217)的后端相铰接；调节板(212)，所述调节板(212)设置有与所述角度调节手柄(211)螺纹配合的螺纹孔；
光电编码器(219)，设置在所述第二铰链(218)处，用于实时检测所述斜劈(217)的激波角；锁紧螺母(210)，与所述角度调节手柄(211)的外螺纹相配合，用于锁紧角度调节手柄(211)与调节板(212)的相对位置关系。5.根据权利要求4所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，入射位置范围调节装置包括：支撑板(214)，滑动配合地支撑设置在所述调节板(212)底部；流向位移平台(213)，与所述调节板(212)驱动连接，用于驱动所述调节板(212)在支撑板(214)上相对移动，从而调节所述斜劈(217)在所述实验测试段壳体(22)内沿流向方向上进行一定长度范围内的移动。6.根据权利要求2所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述壁面边界层吹吸流动控制装置(24)包括：三个流动控制区域吹吸驻室(241)，分别设置在所述完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆小革，易仕和，何霖，冈敦殿，全鹏程，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：