CN114459727A - 用于swtbli非定常特性研究的实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本申请涉及空气动力学实验设备技术领域，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。
背景技术
激波与湍流边界层干扰(Shock Wave/Turbulent Boundary LayerInteractions，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-入射激波干扰、压缩拐角、内流道干扰、后掠压缩拐角、柱-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。
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。
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。
发明内容
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。
本申请采用的技术方案如下：
一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，包括：
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；
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，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；
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；
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；
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；
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。
进一步地，所述实验测试段包括：
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；
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；
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。
进一步地，所述入射激波产生调节装置包括：
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；
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；
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。
进一步地，所述激波角调节装置包括：
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；
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；
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；
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；
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。
进一步地，所述入射位置范围调节装置包括：
支撑板，滑动配合地支撑设置在所述调节板底部；
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。
进一步地，所述壁面边界层吹吸流动控制装置包括：
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；
三个储气罐，分别通过闸阀与三个流动控制区域吹吸驻室气路连接，用于为三个流动控制区域吹吸驻室提供正压力或者负压力。
进一步地，所述流动控制区域吹吸驻室均匀等距地分布有直径为Φ0.4mm～Φ0.6mm的吹吸小孔阵列。
进一步地，所述光电信号采集及数据处理装置包括：
压力传感器阵列，沿流向设置在所述实验测试段内壁上，且覆盖来流的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据；
数据采集系统，与所述压力传感器阵列和阵列CCD相机电路连接，用于采集压力传感器阵列发送的压力数据和阵列CCD相机采集的流场图像；
显示器，与所述数据采集系统信号连接，用于显示数据采集系统采集的压力数据和流场图像；
数据计算系统，与所述数据采集系统信号连接，用于控制各部分协同工作，并对采集的压力数据和流场图像进行存储和处理。
进一步地，所述压力传感器阵列包括不同规格、不同响应频率兼顾低频、中频、高频信号的压力传感器，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据。
本申请另一方面还提供了一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验方法，包括步骤：
(1)将各系统均装配好的实验测试段与风洞实验台喷管出口、下游真空实验环境密封连接，使实验测试段有效工作时间≥100s；
(2)根据实验工况需要将实验测试段的偏折角θ、激波理论入射点位置调节到实验合适的范围；
(3)开启风洞实验台运行，待实验测试段进入有效工作时间段后，通过同步控制器同步触发开启超高帧频流场测量系统的多腔激光器、阵列CCD相机、光电信号采集及数据处理装置、纳米粒子发生器，同步记录光电信号采集及数据处理装置采集的压力信号、流场图像；
(4)根据所述超高帧频流场测量系统得到的多帧高分辨率时间相关的瞬态精细流动结构图像，得到包括来流湍流边界层、SWTBLI过程流动结构的动态演化过程，并对包括SWTBLI干扰区域分离泡的大尺度结构的特征变化，采用图像处理的互相关算法迭代得到诱导激波上行运动、下行运动的时间尺度t，根据所述大尺度结构运动速度V，计算对于分离泡大尺度结构低频运动的特征频率f1，从而分析流场观测范围内SWTBLI非定常运动特性规律；
(5)根据光电信号采集及数据处理装置得到沿流向各测点的壁面压力分布，同时根据压力信号进行功率谱计算，得到各测点的频谱分布，进而分析SWTBLI干扰过程非定常运动的特征频率变化f2；
(6)根据光电信号采集及数据处理装置得到的流场图像，将每个单帧图像与瞬时时刻的压力信号同步起来，进而分析流动结构的产生、演变、衰减、消失的过程与瞬时时刻压力变化的关系，从而进一步研究SWTBLI的非定常演变规律；
(7)根据研究需要，在来流的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域三个带有吹吸流动控制的区域，通过阀门分别给储气罐预置一定压力，根据实验验证需要，通过阀门分别给三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制，实现三个区域的流动控制，接着同样采用步骤(3)～步骤(6)的技术手段和数据分析方法，得到增加流动控制后SWTBLI的非定常特性变化规律，从而来研究和验证增加流动控制的效果，提出通过控制增强或减弱分离区大小实现改变局部激波对边界层作用的优化设计方法。
相比现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请提供了一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法，所述系统包括：实验系统，包括：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；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，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；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；同步控制器，用来协同多腔激光器1、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；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；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。
本申请可以同步获得高分辨率序列时间相关的流动精细结构图像以及对应区域的壁面压力分布，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。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请优选实施例的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统结构示意图。
图2是本申请优选实施例的实验测试段结构示意图。
图3是本申请优选实施例的入射激波产生调节装置结构示意。
图4是本申请优选实施例的光电信号采集及数据处理装置组成示意图。
图5是本申请优选实施例的壁面边界层吹吸流动控制装置结构示意图。
图6是本申请优选实施例的吹吸小孔阵列结构示意图。
图中：1、多腔激光器；11、导光臂；12、片光光源；2、实验测试段；21、入射激波产生调节装置；210、锁紧螺母；211、角度调节手柄；212、调节板；213、流向位移平台；214、支撑板；215、螺纹套杆；216、第一铰链；217、斜劈；218、第二铰链；219、光电编码器；22、实验测试段壳体；23、现场观察区域；24、壁面边界层吹吸流动控制装置；241、流动控制区域吹吸驻室；242、储气罐；243、吹吸小孔阵列；3、阵列CCD相机；4、同步控制器；5、光电信号采集及数据处理装置；51、数据计算系统；52、数据采集系统；53、显示器；54、压力传感器阵列；6、纳米粒子发生器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参照图1，本申请的优选实施例提供了一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，包括实验测试段2、超高帧频流场测量系统。
所述实验测试段2的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；
所述超高帧频流场测量系统包括：
多腔激光器1，采用多脉冲合束Nd:YAG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，分辨率均为1950pixel×1112pixel，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。
本实施例的实验系统包括：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；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，多腔激光器1通过导光臂11向实验测试段2输出片光光源12，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；阵列CCD相机3，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；同步控制器，用来协同多腔激光器1、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；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；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。
本实施例可同步获得高分辨率序列时间相关的流动精细结构图像以及对应区域的壁面压力分布，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，系统空间分辨率可达到10μm，时间分辨率可达到6ns，序列图像最短时间间隔为125ns，可实现连续多帧时间相关的流场精细结构图像的动态演化记录。本实施例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。
如图2所示，在本申请的优选实施例中，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，所述实验测试段壳体22的横截面形状为圆形、椭圆形、多边形，本实施例中所述实验测试段壳体22的横截面形状为方形。
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。
本实施例可实现斜劈偏折角θ在0°～60°范围内连续可调并实时显示斜劈偏折角度状态，覆盖常规飞行器进气道试验结构验证角度范围。另外本申请在流向方向可实现100mm长度范围内连续移动，从而达到根据实验工况需要，将固定斜劈偏折角条件下的激波理论入射点位置沿流向进行调整的目的，实现入射激波入射在不同位置范围时的试验验证，综上所述，本实施例可根据实验工况需要将斜劈偏折角θ、激波理论入射点位置等调节到实验合适的范围，可以在地面实验中直接模拟进气道起动过程中前缘的流场结构和流动特性，实现入射激波入射在不同位置范围时的试验验证，从而在地面实验中能直接模拟进气道起动过程中前缘的流场结构和流动特性。
如图3所示，在本申请的优选实施例中，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。
具体地，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β；
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。
本实施例中，为了满足风洞中飞行器进气道等试验验证需求，通过调节角度调节手柄211手动调节实验研究所需的斜劈偏折角，并通过光电编码器219进行实时偏折角度测量和显示，可实现斜劈偏折角θ在0°～60°范围内连续可调并实时显示斜劈偏折角度状态，可以覆盖常规飞行器进气道试验结构验证角度范围。具体地，本实施例在所述实验测试段壳体22内壁相对地设置有两长圆槽，而第二铰链218的销轴两端则与长圆槽相配合，当需要调节激波角β时，按设定方向旋转所述角度调节手柄211，从而通过调节螺杆、第一铰链216带动所述斜劈217绕第二铰链18的旋转中心旋转一定角度，从而达到调节激波角的目的，同时，所述光电编码器219将获取调节后的激波角β的角度值，以便操作人员及时了解激波角的调节情况。调节到位后，旋紧锁紧螺母210，即可将已经调节好的激波角固定。
在本申请的优选实施例中，所述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。
本实施例中，当需要调节激波理论入射点位置时，通过流向位移平台213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，所述支撑板214上沿流向方向设置有与角度调节手柄211间隙配合的长圆孔，调节板212在沿所述支撑板214上表面移动的同时，所述角度调节手柄211则沿所述支撑板214上的长圆孔往复移动，从而带动斜劈217、光电编码器219和第二铰链218同步移动，由于第二铰链218的销轴两端与所述实验测试段壳体22内壁相对设置的两长圆槽相配合，因此，在调节板212和角度调节手柄211、斜劈217移动的过程中，整个第二铰链218和光电编码器219还受到所述实验测试段壳体22内壁两长圆槽的约束，保证斜劈217的当前激波角稳定情况下，将激波理论入射点位置调节到实验合适的范围。
如图4所示，在本申请的优选实施例中，所述光电信号采集及数据处理装置5包括：
压力传感器阵列54，沿流向设置在所述实验测试段2内壁上，且覆盖来流的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据；
数据采集系统52，与所述压力传感器阵列54和阵列CCD相机3电路连接，用于采集压力传感器阵列54发送的压力数据和阵列CCD相机3采集的流场图像；
显示器53，与所述数据采集系统52信号连接，用于显示数据采集系统52采集的压力数据和流场图像；
数据计算系统51，与所述数据采集系统52信号连接，用于控制各部分协同工作，并对采集的压力数据和流场图像进行存储和处理。
在本申请的优选实施例中，所述压力传感器阵列54包括不同规格、不同响应频率兼顾低频、中频、高频信号的压力传感器，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据。所述数据采集系统52将采集的相关压力数据输送至数据计算系统51解算不同实验工况时的流动结构变化特征，以及压力传感器输出的信号处理。
如图5和图6所示，在本申请的优选实施例中，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边界层，用于对三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制；
三个储气罐242，分别通过闸阀K11、K21、K31与三个流动控制区域吹吸驻室241气路连接，用于为三个流动控制区域吹吸驻室241提供正压力或者负压力。
在本申请的优选实施例中，所述流动控制区域吹吸驻室241均匀等距地分布有直径为Φ0.5mm～Φ0.6mm的吹吸小孔阵列243。
本实施例中各区域的储气罐242可以提供正压力或者负压力，提供流动控制条件，阀门管路系统用来控制各区域流动控制的通断等。
本申请的另一优选实施例还提供了一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验方法，包括步骤：
(1)将各系统均装配好的实验测试段2与风洞实验台喷管出口、下游真空实验环境密封连接，使实验测试段2有效工作时间≥100s；
(2)根据实验工况需要将实验测试段2的偏折角θ、激波理论入射点位置调节到实验合适的范围；
(3)开启风洞实验台运行，待实验测试段2进入有效工作时间段后，通过同步控制器4同步触发开启超高帧频流场测量系统的多腔激光器1、阵列CCD相机3、光电信号采集及数据处理装置5、纳米粒子发生器6，同步记录光电信号采集及数据处理装置5采集的压力信号、流场图像；
(4)根据所述超高帧频流场测量系统得到的多帧高分辨率时间相关的瞬态精细流动结构图像，得到包括来流湍流边界层、SWTBLI过程流动结构的动态演化过程，并对包括SWTBLI干扰区域分离泡的大尺度结构的特征变化，采用图像处理的互相关算法迭代得到诱导激波上行运动、下行运动的时间尺度t，根据所述大尺度结构运动速度V，计算对于分离泡大尺度结构低频运动的特征频率f1，从而分析流场观测范围内SWTBLI非定常运动特性规律；
(5)根据光电信号采集及数据处理装置5得到沿流向各测点的壁面压力分布，同时根据压力信号进行功率谱计算，得到各测点的频谱分布，进而分析SWTBLI干扰过程非定常运动的特征频率变化f2；
(6)根据光电信号采集及数据处理装置5得到的流场图像，将每个单帧图像与瞬时时刻的压力信号同步起来，进而分析流动结构的产生、演变、衰减、消失的过程与瞬时时刻压力变化的关系，从而进一步研究SWTBLI的非定常演变规律；
(7)根据研究需要，在来流的完全湍流边界层区域S1、SWTBLI干扰区域S2、后部边界层再附区域S3三个带有吹吸流动控制的区域，通过阀门K11、K21、K31分别给三个储气罐242(G1、G2、G3)预置一定压力(抽一定真空度或者加压一定压力)，根据实验验证需要，通过阀门K11、K21、K31分别给S1、S2、S3三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制，实现三个区域的流动控制，接着同样采用步骤(3)～步骤(6)的技术手段和数据分析方法，得到增加流动控制后SWTBLI的非定常特性变化规律，从而来研究和验证增加流动控制的效果，提出通过控制增强或减弱分离区大小实现改变局部激波对边界层作用的优化设计方法。
本实施例的实验方法可以同步获得高分辨率序列时间相关的流动精细结构图像以及对应区域的壁面压力分布，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，通过图像可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，从而得到增加流动控制后SWTBLI的非定常特性变化规律，用于研究和验证增加流动控制的效果，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。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
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边界层，用于对三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制；
三个储气罐(242)，分别通过闸阀与三个流动控制区域吹吸驻室(241)气路连接，用于为三个流动控制区域吹吸驻室(241)提供正压力或者负压力。
7.根据权利要求6所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述流动控制区域吹吸驻室(241)均匀等距地分布有直径为Φ0.4mm～Φ0.6mm的吹吸小孔阵列(243)。
8.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，所述光电信号采集及数据处理装置(5)包括：
压力传感器阵列(54)，沿流向设置在所述实验测试段(2)内壁上，且覆盖来流的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据；
数据采集系统(52)，与所述压力传感器阵列(54)和阵列CCD相机3电路连接，用于采集压力传感器阵列(54)发送的压力数据和阵列CCD相机3采集的流场图像；
显示器(53)，与所述数据采集系统(52)信号连接，用于显示数据采集系统(52)采集的压力数据和流场图像；
数据计算系统(51)，与所述数据采集系统(52)信号连接，用于控制各部分协同工作，并对采集的压力数据和流场图像进行存储和处理。
9.根据权利要求8所述的用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，其特征在于，所述压力传感器阵列(54)包括不同规格、不同响应频率兼顾低频、中频、高频信号的压力传感器，用于记录有实验流场时的不同区域中的壁面压力数据。
10.一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将各系统均装配好的实验测试段(2)与风洞实验台喷管出口、下游真空实验环境密封连接，使实验测试段(2)有效工作时间≥100s；
(2)根据实验工况需要将实验测试段(2)的偏折角θ、激波理论入射点位置调节到实验合适的范围；
(3)开启风洞实验台运行，待实验测试段(2)进入有效工作时间段后，通过同步控制器(4)同步触发开启超高帧频流场测量系统的多腔激光器(1)、阵列CCD相机(3)、光电信号采集及数据处理装置(5)、纳米粒子发生器(6)，同步记录光电信号采集及数据处理装置(5)采集的压力信号、流场图像；
(4)根据所述超高帧频流场测量系统得到的多帧高分辨率时间相关的瞬态精细流动结构图像，得到包括来流湍流边界层、SWTBLI过程流动结构的动态演化过程，并对包括SWTBLI干扰区域分离泡的大尺度结构的特征变化，采用图像处理的互相关算法迭代得到诱导激波上行运动、下行运动的时间尺度t，根据所述大尺度结构运动速度V，计算对于分离泡大尺度结构低频运动的特征频率f1，从而分析流场观测范围内SWTBLI非定常运动特性规律；
(5)根据光电信号采集及数据处理装置(5)得到沿流向各测点的壁面压力分布，同时根据压力信号进行功率谱计算，得到各测点的频谱分布，进而分析SWTBLI干扰过程非定常运动的特征频率变化f2；
(6)根据光电信号采集及数据处理装置(5)得到的流场图像，将每个单帧图像与瞬时时刻的压力信号同步起来，进而分析流动结构的产生、演变、衰减、消失的过程与瞬时时刻压力变化的关系，从而进一步研究SWTBLI的非定常演变规律；
(7)根据研究需要，在来流的完全湍流边界层区域、SWTBLI干扰区域、后部边界层再附区域三个带有吹吸流动控制的区域，通过阀门分别给储气罐(242)预置一定压力，根据实验验证需要，通过阀门分别给三个区域的边界层流动增加吹吸流动控制，实现三个区域的流动控制，接着同样采用步骤(3)～步骤(6)的技术手段和数据分析方法，得到增加流动控制后SWTBLI的非定常特性变化规律，从而来研究和验证增加流动控制的效果，提出通过控制增强或减弱分离区大小实现改变局部激波对边界层作用的优化设计方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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