超声速流场PIV测试技术及其应用研究

摘要

随着空间技术和高超声速武器装备技术的迅速发展,诸如激波边界层干扰、湍流边界层及分离以及混合层等复杂流动现象和机理的探究对超/高超声速流动测试技术在结果定量化、非接触式测量以及高分辨率显示等方面提出了更高的要求。近年来光学非接触流场测量技术诸如粒子图像测速技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)、激光诱导荧光测量技术(LIF)以及其他测量技术在测试机理及设备性能方面开展了更为深入研究,在超声速流场测试方面得到了广泛的应用,尤其是PIV在技术上突破传统单点测量限制,可瞬时无接触定量测量流场平面二维速度分布,并且可获得较高的测量精度。因此发展超声速流场PIV测试技术不仅对认识和揭示超/高超声速流动现象及机理具有重要的学术意义,而且对丰富和拓展目前超/高超声速风洞测试技术及测试能力具有重要的应用价值。
　　 本报告以在上海交通大学多马赫数高速风洞中发展超声速流场高精度非接触式的光学测试技术为研究目标,开展了粒子图像测速PIV测试技术应用于超声速流场测量的研究,具体研究内容包括以下几方面:首先通过对示踪粒子材料选择、散光性以及随流性的分析研究建立了超声速PIV示踪粒子选择准则;其次发展了超声速流场PIV示踪粒子布撒技术,归纳出了可操作性强、测量精度高的测试方案及流程:在以上研究的基础上开展了对尖劈、尖锥、拐角流以及激波边界层干扰等典型流场的PIV测试,并结合理论分析和CFD数值模拟结果进行了高精度超声速流场PIV测量技术的可行性验证。
　　 本报告的研究结果示踪粒子实际粒径为200nm左右时其散光特性和随流性最佳;研究中所选用的规格为D30的示踪粒子实际粒径在250nm左右,能够较好的满足超声速流场PIV测量要求;利用发生器罐体内的真空度吸入示踪粒子的加注方式以及选定的精确测试流程时序可以保证获得良好的粒子布撒效果;通过将超声速流场PIV测试结果与CFD数值模拟和理论计算结果比较分析可知超声速PIV技术具有对复杂流场精细结构的捕捉能力,PIV技术可以作为超声速流场测试的有效研究手段之一。