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申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

摘要：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。

主权项：1.一种用于SWTBLI非定常特性研究的实验方法，基于用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统，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；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；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；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；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；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；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；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；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；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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百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 用于SWTBLI非定常特性研究的实验系统及方法