本文介绍一种适合于脉冲风洞中显示复杂流动的表面油滴技术及其实验结果。在实验时间为20至500ms 的风洞中用表面油滴技术能清晰地显示尖前缘翼诱导激波-边界层干扰流表面流谱的详细特征,其特征位置与用铂薄膜电阻温度计和液晶热图测量结果吻合。油流图像表明尖翼高超声速干扰流具有相似于超声速干扰流的锥形特性,大翼偏转角时,存在二次分离再附现象。实验结果证实了尖翼上游干扰角的高超声速相似特性

唐贵明

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第 卷 第 期 气 动 实 验 与 测 能 控 制年 月妊。脉冲风洞中用油滴表面流动显示技术研究激波一边界层干扰流动唐 贵 明中国科学院力学研究所摘要 本文介绍一种适合于脉冲凤洞中显示复杂流动的表面 油 滴技术 及其实验 结果。在实验时间为 至 的风洞中用表面油滴技术能清晰地显示尖前缘翼诱导激波边界层干扰流表面流谱的详细特征,其特征位置与用铂薄膜电阻温度计和液晶热图测量结果吻合。油流图像表明尖翼高超声速千扰流具有相似于超声速干扰流的锥形特性,大冀偏转角时,存在二次分离再附现象。实验结果证实了尖翼上游千扰角的高超声速相似特性。关键词 激波边界层千扰, 高超声速流 流动显示 , 分离流 , 脉冲风洞日万 当二二翻直立于平板上的尖劈是机翼与机身结合处和超声速发动机入 口外形的简化模型。它虽外形简单,但尖前缘头激波与平板湍流边界层相互千扰引起的三维分离流极其复杂。对这种流动已进行了广泛的实验研究“一 ” ‘ ’一 ”’。 但这些实验都是在超声速,特别是马赫数低于 的条件下进行的,很少有高超声速的数据。现代高超声速飞行器的发展,需要高超声激波一湍流边界层千扰流的实验数据来揭示其流动的详细特征,证实超声速有关知识的适用性,并为高超声流体力学计算方法提供检验数据。为此,在高超声速脉冲风洞中进行了无后掠尖翼引起的激波一湍流边界层千扰流的实验研究 〔, 日 ’, 实验包括进行表面压力、热流分布测量,油滴技术和液晶热图显示壁面流动。本文概要介绍油滴技术及其部分实验结果。众所周知,用分离的传感器测量压力和热流分布能为飞行器设计和计算方法检验提供精确的实验数据,但由于分离传感器体积的限制,每次实验只能得到有限点的数据。这种技术用于激波一边界层干扰这种复杂流动研究时费时费力且很昂贵。而表面流动显示技术在一次实验中可以得到整个模型表面上的流动图像,单幅流动显示图像往往能比一大堆单点测量数据提供更多更形象的物理图像,便于建立合理的流动模型,特别是象这本文于 年 月 日收到。种三维分离流。许多表面流动显示技术被推广泛用于低速和超声速常规风洞中。但在脉冲风洞中,由于实验时间短,工作压 力低,它的应用遇到 了很大困难,限制了它们的应用 〔”。本研究发展的脉冲风洞表面油滴显示技术有足够快的时间响应,能清晰地显示干扰流的表面流谱,为脉冲风洞提供了一种新的实验技术。实验结果表明,用表面油滴技术、液晶热图和薄膜计测热三种方法得到的干扰流特征点位置完全一致。表面油滴显示技术已用于表面台阶、钝翼、横向喷流等引起的干扰流研究以及发动机汗卜栅流和大攻角横向流研究中,取得了很好的结果。实验技术实验设备和模型实验先后在炮风洞 〔“ 〕泊一等嫡压缩管风洞【“ ’中进行。炮风洞来流马赫数为,雷诺数 只’ ,实验时间。无后掠尖翼模型高,长,安装在离前缘的平板上。平板宽,长,攻角为“ ,翼面偏转角 一。一。 。后者马赫数为和,雷诺数分别为’和’ ,实验时间。尖翼模型高,长,偏转角“ 。 ,安装在离前缘 的平板上,平板长,宽。由于该风洞实验时间较长,油流和热图同时用高速摄录像系统记录,从而 可观察油流和热图的形成过程。录像速率每秒 幅。上述两座风洞均采用活塞驱动,以活塞前被驱动气体流尽而终止实验,所以流动图像不受关车影响,因此油流图像可在实验后拍摄照片 图 或直接粘贴在透明胶片上 图。表面油滴显示技术脉冲风洞实验时间短,实验在低压的真空条件下进行。选用硅油和氧化钦粉的混合物作为示踪剂。氧化钦是白色粉末,颗粒直径约 “。硅油是透明液体,具有粘性低、蒸气压低的特点 , 在气流作用下,表面油滴在很短的时间内产生较明显的位移,适合于脉冲风洞的工作条件。为了提高照片反差,模型表面涂成黑色。实验前将混合物均匀滴于模型表面上。油滴直径约 至 毫米,油滴间距 至 毫米。实验时,气流流过表面,壁面剪切力作用于油滴,使之变形,并沿表面气流方向移动,从而在壁面上留下流动的轨迹,形成表面流动图像。油流图像清晰度与壁剪切力大小、实验时间长短、混合物浓度、模型表面特性、油滴大小及其密度等因素有关。为了提高油流图像清晰度,可根据实验条件采用油滴和油膜相结合的方法,或者采用彩色油滴技术。快速液晶热图技术见文献〔, , 〕。实验结果及讨论油流图像与热流分布测量和液晶热图结果比较图 表示实验时间为 的炮风洞 中得到的油流照片及垂直于翼面 的 平板 热 流 分布。图中 为无千扰平板热流率, 二为从翼前缘算起的平行翼面的距离, 夕表示平板上测点到翼根部的垂直距离。偏转角。的翼引起了较大的干扰区。从油流图中可以看到 两条流线收拢的极限线和两条流线发散的中心线。前者称为分离线 和,后者称为附着二 几△ 二一,恤人以,卜,派卜”饰比法﹂匕图 油流流语 与热流分布,。 , 二 。 , 二线月 和一月。和刀 靠得很近,很多实验中观察不到月,的存在,因此有人怀疑 是否是图 油流流谱,液晶热图及其比较。 , “ , 才分离线。图 的结果表明。翼的千扰流,除主分离涡 夕, ,外还存在一很小的二次分离涡。 ,为干扰流最上游界线,则紧靠翼根部附近,这说明翼上游平板上干扰流动主要受主分离涡 月,影响。这些特征位置分别标在热流分布图 中,其中 附表示无粘激波。图中结果表明油流图中分离线和附着线分别与热流分布中低热流和峰热流特征位置一一对应。图 所示是实验时间为 的等嫡压缩管风洞中获得的油流和液晶热图照片,油流图像是实验后用透明胶片粘贴法得到的,油流流纹细而清晰。翼上游平板上有两条明显的油积线。是流线从两边收拢,而 紧靠无粘激波,流线从下游一侧收拢,而从上游一侧发散,这可能是分离线 和附着线 靠得太近的缘故。 ‘夕,和 之间的流线近似平行,向下游有一很小的扩散角。液晶热图中有两条淡色的线,表示于扰热流较低的位置,与油流图中的分离线,和 的位置一一对应 图。油流实验的录像结果 〔。习证实在头 内,干扰流谱已完全建立。干扰区太小,特征线,和 的位置不随时间延长而变化,也不受风洞关车影响。油流流谱只随时间的增长,流纹增长变细,分离线上油积增厚,再附区 附近逐渐变成油层很排的流纹。最近在实验时间为 的激波风洞中也获得了高清晰度的台阶千扰流油流照片。上述结果表明油滴技术有相当快的时间响应,能产生清晰的油流图像,可以用于脉冲风洞中复杂流动显示。初始分离角〕。七‘ 。〕提 出了尖翼 始分离谁则,即假定干扰流方向与无粘激波平行时的翼偏转为初始分离角 ‘。’ 将这一准则简化为公式‘一“ ,并根据当 时 实 验 数据 将 。 准则修 正 为‘二“ , 。初始分离角的实验 结果与计算值 绘 于 图。 。 〔‘ ’和〔‘ 〕的结果高于其它实验值和计算值。本实验数据接近计算值。尖翼干扰流的锥形特性’ , 准则】 」、图 马赫数对尖翼初始分离角的影响△,甲 口,▲ 甲 本文等 〔‘ , ’ 〕人在,的气流条件下的油流实验发现尖翼干扰流具有锥形性质,其主要特征示于图。图 和图的油流图像和液晶热图照片表示了完全类似的性质。根据文献〔 〕的上游干扰线的相关结果将,的油流和液晶热图显示数据绘于图 中。图中 为平板边界 图 尖翼千扰流的特征层厚度, 。为来流马赫沿激波法向分量,济日 是激波坐标系 图。图中结果表明不同偏转角的数据能很好相关 , 高超声速尖翼干扰流也具有一非锥形开始区取下游的锥形区,但高超声速千扰流的非锥形开始区诊 , ’入 、 丈西 ’‘ ’义母乞, 油 流 氏,钻“寸二‘佑趟些舀吸 , 、, ’尹 ”火 一一一‘习图 尖翼上游千扰线相关, 二远 比超声速时小。如 日寸 〔 、占’〕。二 , 二 时,〔 ‘‘ ’〕。二。激波强度对锥形区上游千扰角刀。的影响表示在图 中。尖翼千扰流引起分离的基本机理是由于无 粘 激 波 后的压 力升高值,此值由来流马赫数 的激 波法 向分 虽,刀。决定。高超声速时, ,刀。二,刀。 。图中结果表明超声速和高超声速尖翼上游千扰角能够用,刀。很好 相关。事实上参数 刀 二,刀。类似于高超声速相似参数, 〔 。 ’。 因此,图 的相关结果表明翼千扰流具有 高超 声速 相 似特性。凡一刀。尸尸, ’一’‘ 省图 激波强度对上游干扰角的影响一油流 一液晶热图 一热流测量 尸一压力测址, 。 。 。 。 。 。 。 。△ 口 甲 压。 冲月结 论表面油滴技术已成功用于脉冲风洞中研究激波一边界层干扰流,有足够快 的 时 问响应,能洁晰显示翼干扰流的详细特征和初始分离,分离和二次分离再附现象。油流流谱中钧特征线位置与热流分布测量和液晶热图结果很好吻合。高超声速尖翼千扰流也具有超声速流时的锥形特性,匕游干扰角与高超声相似参数相关得很好。高超声速尖翼千扰流有很小的初始分禽角,较短的非锥开始区,很高的再附峰值热流, 一卜游干扰角与主分离线角近似相等。参 考 文 献, , ,, , ,, ,, , ,’ , , 一一 ,俞鸿儒,李仲发 力学学报, ,刘鹏 第六届激波管学术讨论会,。 , , , 。。加 , ,, ,飞。 。 一, ,魂 飞 一。 , 尘 ,工 产。” 云艺 不 玄 托 ,是 , 直一丁 、 一 · 一入丁, 一 ,一一‘二件 忿玄才‘才 了 孔 ”玄, 口 ” 公 ￡玄”玄一比 ,一,一一一 。, 一, ,, 一 。 、 一、 , 刀一 刀。 ,, ,刀。 , 。一 , 研,、、 、, , 一 ,日搏

脉冲风洞中用油滴表面流动显示技术研究激波-边界层干扰流动

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