高超声速静风洞的研制与流动测量技术的发展
发布时间: 2010-03-26 07:54:00
代表性成果包括国家重大战略装备——高超声速静风洞的研制与相关流动测量技术发展，以及在这两方面研究带动下诞生的一系列有影响的基础和应用基础研究成果。
随着我国若干与飞行器相关的重大科技专项的实施，国家迫切需要湍流实验研究的最新成果支撑一系列重大装备的研制。为服务这一重大需求，重点实验室实验研究研究团队改变研究方式，积极投身到国家战略装备与高超声速静风洞的研制和相关实验技术的开发，把基础研究、应用基础研究与应用研究结合起来，形成了以国家重大需求牵引基础和应用基础研究的格局。
静风洞能真实模拟高超声速飞行器真实飞行环境，其要求来流湍流度小于0.1%。因而其建造十分困难，连航天大国俄罗斯至今都没有同类设备。随着航天飞行器的发展，静风洞成为必须研制的关键装备之一。在科技部973计划和国家重大科技专项的支持下，建成了目前世界第三座高超声速静风洞。世界上第一个完成Mach 6静风洞的专家Schneider 在美国空军科研办公室成立60周年举办的研讨会上多次提到“世界上只有三座正在运行的高超声速静风洞”。这座静风洞的建成不仅使我国在高超声速转捩研究领域在国际上占有一席之地，更重要的是使我国具备了高超声速飞行器转捩实验预测能力，在我国高超声速飞行器的设计中发挥了不可替代的作用。目前这座风洞正在承担我国主要高超声速飞行器的转捩研究任务，获得了大量的转捩基准数据，同时为发动机进气道的外形优化、飞行器防热提供了关键技术支持。
研究团队围绕国家对发动机、高超声速流动的重要需求，发展了近壁测量方法，攻克了旋转边界层、高超边界层测量等技术难题。高速流场光学近壁测量方法一直受三大问题的困扰：光学边界污染、大速度梯度引起速度场测不准，大速度变化（1000 m/s）引起的相关误差。研究团队经过努力，发明了静态粒子加权法等一系列方法和基于窗口变形的多尺度叠代的查询算法等数据处理技术，拥有了从低速到高超声速的近壁流场的全套PIV 测量技术。Measurement Sci. and Tech.杂志的审稿人认为我们发明的方法是“…Unique originality…” 。在国际上我们率先获取了高超声速转捩的空间流场数据，同时我们发展了高超声速流动显示方法，获得了迄今为止高超声速转捩最清晰的流场结构。
装备建设与实验方法的研究推动了基础研究取得重要进展。高频激励产生低频重力波题是一类Faraday问题，本质上是高频的固体边界层的扰动产生低频的流体波动。过程中产生的射流非常类似于火箭发动机内部产生的流动，影响火剪发动机的燃烧效率。过去无法对流场中的Stokes层进行定量测量揭示其物理过程，我们发展的近壁PIV技术的成功解决了这一困扰科学界几十年的问题。利用PIV测量，针对声学阵列测试中的实时性、信噪比和分辨率三个关键问题，提出了相干噪声源实时声成像理论、基于压缩感知的声成像方法、声场重构理论和旋转部件噪声成像方法。作为一项“副产品”，利用传声器阵列信号处理技术来解释耳蜗听觉定位的文章发表在欧洲物理快报，美国科技网站Phys. org以“Engineers investigates why the cochlea is coiled”（工程师研究耳蜗为何弯曲）为题专门报道了这项工作。针对气动噪声问题研究提出了几种新的控制方法并阐释了相关物理机制，其中基于等离子体提出的宽频噪声控制方法发表在声学领域权威期刊J. Sound Vib。2013年Progress in Aerospace Sciences在综述论文“Recent developments in DBD plasma flow control”中用一段来评述我们的工作：“Huang et al. [77], Chan et al. [78] and Huang and Zhang [79] …Using microphone and PIV measurements they concluded that plasma vortex generators placed just upstream of the cavity were more effective than the conventional plasma actuators for noise attenuation. This was because three- dimensional vortical structures were produced in the shear layer which impeded the development of organised structures in the cavity [79]. This disrupted the feedback mechanism that was necessary to sustain the fluid–acoustic process.” （黄等人采用等离子体涡发生器研究了空腔和起落架噪声控制…从而打破了流动和声耦合所需的内在反馈机制）。发展的基于声学斗篷的噪声控制理论框架发表在权威期刊，也获得了国际同行的关注，后续工作以“湍流中的声学斗篷设计”为题获得了英国皇家学会的海外人才项目－牛顿高级学者基金（Newton Advanced Fellowship），在其支持下与剑桥大学声学实验室开展正式合作。黄迅入选爱思唯尔2014年中国高被引学者之一（航空工程方向，国内入选共8人）。国际上目前对流体中运动物体的研究形成新的热点，如何测量运动物体的流动参数成为实验研究的主要挑战，目前同类研究只能测五个分量，自由运动一般情况下绕体轴的旋转量较小，不容易测量，普遍认为这个量不重要。实验表明绕体轴量绝对值虽小，但其反映了粘性力与惯性力相互作用的核心机制，能清晰地刻画自由运动物理整体绕地球坐标轴旋转和绕体轴旋转产生的流场变化与分离形态。研究团队发展了自由运动的六分量测量技术，得到流动中不同模态之间转换条件，清晰地表征了粘性力和惯性力之间相互作用关系，揭示了不同的流动分离形式与运动形式之间的直接关联。Ern等在Annu. Rev. Fluid Mech.(2012, 44:7-121)的综述中大段引用本工作：“other types of motion have been identified at higher Reynolds number…, Zhong et al. (2011) observed that the planer periodic motion is not stable and a secondary oscillation grows in the normal direction, leading to a fully helical path…Zhong et al. (2011) showed that the helical path is related to the continuous shedding of a helicoidal vortex. Moreover, they observed that the helical path is associated with a rotation of the body.”
航空发动机的关键湍流问题是实验团队着力解决的关键问题。利用低湍流度风洞建成了相关模拟装置，成功进行了旋转动态叶片表面的PIV近壁测量。实验研究团队另一个突出的特点是针对复杂的科学问题，以实验为主辅以数值计算和理论分析，显著提高了研究效率和能力。涡轮涉及到高温和旋转两大难题，是航空发动机中的最关键、最难设计的部件之一。团队针对高压涡轮中的转子叶顶泄漏流这个关键问题进行研究，分析了气动、传热性能并开展了优化设计。发展了采用“肋”和“小翼”的叶顶结构来降低流动损失的方法。研究深入理解了“肋”的几何形状对泄漏流气动和传热性能的作用机理，为相关设计参数的选择提供了理论基础（佐证12）。审稿人认为该工作对于改善发动机热端叶片的性能有着重要意义（... has a great contribution in the area of improving aerothermal performance of gas turbine hot section blades）。团队还解释了文献中由于采用不同几何结构叶顶所得到的看似矛盾的结果，相关工作发表于J. Turbomachinery。
5年来，代表性成果中的基础和应用基础研究系列成果以论文形式发表在JFM上4篇，POF上2篇，J. Acous. Soc. Am.上4篇，J. Turbomachinery上5篇，Acta Mech. Sinica上2 篇，Measurement Sci. Tech.和J. Sound & Vibration上各1篇。POF的一个审稿人认为，“…this is a good group of researchers that usually conducts good experimental and theoretical investigation, produce good papers and publishers in good journal.” 。