“超—超”混合层风洞设计及调试实验研究

【摘要】： “超-超”混合层实验研究是当今空气动力学研究中的一个前沿领域。“超-超”混合层风洞作为混合层实验研究的基础,设计加工出能产生较好的混合层流场品质的风洞是必需的。 为满足“超-超”混合层流场结构实验研究的新需求,本文设计了新的“超-超”混合层风洞。在进行设计时,既借鉴了常规超声速风洞的基本设计思想,又针对混合层流动测试的实际要求,对风洞设计方案进行了深入分析和改进设计。首先,基于等熵假设分析了建立“超-超”混合层流场所必需的流动参数;然后根据这些流动参数要求,对风洞的运行方式与结构进行了总体设计;最后针对各部件的气动与结构要求进行详细的分析与设计。设计加工出的“超-超”混合层风洞基本满足了现阶段对混合层湍流实验研究的要求;而且结构比较简单,各部件相对独立,其有利于风洞的安装调试、部件更换,实验操作也非常方便;风洞尺寸比较小,适合于室内实验,为实验研究提供良好的环境条件。 为确定所设计的风洞的性能,对加工出来的风洞进行了安装和调试。调试实验结果表明,新设计的混合层风洞能够实现两股超声速气流平行剪切,从而实现较为理想的“超-超”混合层流场结构。同时,该风洞还可以根据实验的具体要求,通过更换喷管实现三个不同对流马赫数的“超-超”混合层流场。由于风洞加工及安装时的误差可能会使风洞实际流场与设计工况有所不同,首先采用电子压力扫描阀对风洞流场进行了对流马赫数的校测;同时由于“超-超”混合层流场结构复杂,为获取不同对流马赫数下混合层流场的基本特征,还采用时间平均纹影、激光瞬态纹影、基于纳米粒子的平面激光散射技术和背景纹影技术对风洞流场结构进行了调试研究。通过这些调试实验,获得了混合层流场不同时间和空间分辨率的实验结果。通过对实验结果的对比分析,得到三个对流马赫数下混合层流场的基本结构及特点,为混合层风洞实验的进一步改进提供了实验依据。 总而言之,本文所做的“超-超”混合层风洞的设计及风洞调试方面的工作涉及了“超-超”混合层实验研究中两个基础的问题:风洞设备和测试技术,也就为深入研究混合层夯实了基础,保证了混合层深入实验研究的开展。