基于机舱环境背景下的冲击射流与湍流热对流的实验研究

摘要

122客机座舱是一个封闭、狭小、人员密集的特殊微环境，影响舱内气流分布的主要因素有:送风系统通过风口流出的气流、乘客口鼻呼吸产生的气流、由乘客和飞机本身散热引起的热浮力驱动的气流以及由客机座舱内复杂的几何结构引起的分离流。送风口流出的气流和乘客口鼻呼吸的气流与自由射流类似，在遇到座椅和其它设备时形成了冲击效应，而由乘客自身散热引起的热浮力驱动的气流运动形成了湍流热对流。因此，客机座舱内的气流是一种包含冲击射流和湍流热对流的复杂流动。对客机座舱内的空气流动进行研究，是创造一个安全、舒适、健康的客机座舱环境的必要前提。本文采用热线测速技术和粒子图像测速技术，分别对基于机舱环境背景下的冲击射流和湍流热对流进行实验研究，作为实际客机座舱内气流运动研究的基础。
　　采用热线测速技术对冲击湍射流的流场特性进行了实验研究。利用IFA300恒温热线测速仪、标准X型双丝热线探针和边界层X型双丝热线探针，以高于湍流最小时间尺度的分辨率，精细测量了冲击湍射流自由射流区的轴向、径向速度分量的径向分布和壁面射流区径向、轴向速度分量的轴向分布，得到了平均速度、湍流强度、雷诺剪切应力、高阶矩、能谱、耗散谱以及空间特征尺度在自由射流区和壁面射流区的分布。运用小波变换和希尔伯特—黄变换分别对测得的冲击湍射流速度场进行了多尺度（多模态）分析，描述了不同尺度（模态）能谱的湍流能量级串过程，基于此并对这两种分解方法进行了比较，发现希尔伯特—黄变换能够更加准确地刻画出不同尺度（模态）结构在湍动能量传输过程中的变化与作用。最后，通过希尔伯特—黄变换方法获得了冲击湍射流自由射流区和壁面射流区不同模态结构的平均频率与流动结构在不同平均频率下的能量密度分布。
　　采用粒子图像测速技术，对等温工况与加热工况下的暖体假人模型的呼吸流场进行了实验研究。利用周期相位平均方法对两种工况下测得的周期变化的湍流场进行了湍流量统计，得到了呼吸过程中不同相位下的相平均速度、湍流强度和涡量的时空分布演化特征。采用本征正交分解方法将呼吸瞬态湍流场分解为平均流场、拟序流场、过渡流场和湍流流场四部分，研究了四个分流场的各自特点、演变规律以及循环变动特性。运用空间互相关技术，对两种工况不同相位下的雷诺应力与平均速度变形率的空间相位关系变化进行了研究。

目录

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摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 射流的基本特征

1．2．1 射流的定义和分类

1．2．2 自由射流

1．2．3 冲击射流

1．3 射流理论的发展及其研究方法

1．3．1 实验测量方面

1．3．2 理论分析方面

1．3．3 数值模拟方面

1．4 国内外研究现状

1．4．1 自由射流

1．4．2 冲击射流

1．5 本文工作

第二章 圆形冲击湍射流的热线测速实验研究

2．1 实验设备与装置

2．1．1 IFA300恒温测速仪

2．1．2 三维自动控制坐标架系统

2．2 热线测速技术及热线探针标定

2．2．1 热线测速技术

2．2．2 热线探针标定

2．3 实验方案与实验测量

2．4 实验结果与分析

2．4．1 湍流量分析

2．4．2 多尺度分析

2．5 本章小结

第三章 湍流热对流的PIV实验研究

3．1 实验设备与装置

3．1．1 粒子图像测速系统

3．1．2 暖体假人模型

3．1．3 呼吸模拟装置

3．1．4 粒子发生器

3．2 粒子图像测速技术

3．2．1 基本原理

3．2．2 图像互相关

3．2．3 速度矢量优化

3．2．4 示踪粒子播撒

3．2．5 基本参数选择

3．3 实验方案及实验测量

3．4 实验结果与分析

3．4．1 湍流量分析

3．4．2 本征正交分解分析

3．4．3 雷诺应力与速度变形率关系

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 本文创新点

4．3 今后工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢