Tomo-PIV亞跨聲速風(fēng)洞應(yīng)用探索

李曉輝, 王宏偉, 張 淼, 黃 湛,*

(1. 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074; 2. 中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 上海 201210)

0 引 言

粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry, PIV)作為一種非接觸式的全場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)[1-2]，能夠?qū)崿F(xiàn)低速到高超聲速的流場(chǎng)切面測(cè)量，極大地促進(jìn)了流體力學(xué)的發(fā)展和型號(hào)的工程應(yīng)用。但是，PIV只能實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的二維切面測(cè)量，對(duì)于復(fù)雜三維非定常流動(dòng)問(wèn)題則需要在全局體空間內(nèi)進(jìn)行流場(chǎng)特性研究，以捕捉其三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

Tomo-PIV是一種新近發(fā)展的3D3C非接觸全場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，具有強(qiáng)大的三維流場(chǎng)測(cè)量能力，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，在流體力學(xué)研究中的應(yīng)用不斷增加，已經(jīng)被用于湍流邊界層和激波邊界層相互作用、尾流和流動(dòng)控制等具有強(qiáng)三維性、強(qiáng)非定常性流場(chǎng)的空間測(cè)量。國(guó)外對(duì)該技術(shù)的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果，風(fēng)洞研究涵蓋了低速、亞聲速、超聲速和高超聲速。Elsinga等[3-4]利用Tomo-PIV開(kāi)展了一系列的湍流邊界層試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)區(qū)內(nèi)不對(duì)稱的發(fā)卡渦占據(jù)主導(dǎo)地位，伴有一些馬蹄形渦，過(guò)渡區(qū)內(nèi)以弓形渦和馬蹄形渦為主。Pitiers大學(xué)的Thomas等[5]進(jìn)行了噴氣機(jī)橫流的試驗(yàn)。Scarano等[6]利用時(shí)間解析的Tomo-PIV技術(shù)對(duì)2種噴嘴結(jié)構(gòu)的噴管出口射流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Violato等[7]通過(guò)時(shí)間解析的Tomo-PIV測(cè)量了從圓形和V形射流出口噴出的射流轉(zhuǎn)捩過(guò)程，研究了三維轉(zhuǎn)捩模式及其對(duì)噪聲產(chǎn)生的影響。Humble等[8]對(duì)來(lái)流Ma=2.1的激波邊界層干擾進(jìn)行了測(cè)量，獲取了高低速流動(dòng)區(qū)域的相互作用及激波邊界層干擾的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Ye等[9]對(duì)來(lái)流Ma=6.5的帶斜劈的平板邊界層流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，目前僅在低速水洞和低速風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用。天津大學(xué)的唐湛棋等[10]利用時(shí)間解析的Tomo-PIV技術(shù)研究了水槽中湍流邊界層流動(dòng)的擬序結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)的高琪等[11]利用自主研發(fā)的層析PIV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了合成射流的三維測(cè)量；中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院的許相輝等[12]利用Tomo-PIV技術(shù)在低速風(fēng)洞中測(cè)量了圓柱的尾流場(chǎng)，觀測(cè)到了圓柱體后方的三維卡門渦結(jié)構(gòu)。但是，由于Tomo-PIV技術(shù)使用的相機(jī)個(gè)數(shù)較多(一般為3～6個(gè))，光路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，具體到風(fēng)洞應(yīng)用時(shí)更為困難，因此,目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到Tomo-PIV在亞跨超以及高超聲速風(fēng)洞中的應(yīng)用。

本文以Tomo-PIV技術(shù)作為研究手段，針對(duì)超臨界翼型OAT15a，在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-12亞跨超聲速風(fēng)洞中開(kāi)展了Tomo-PIV的應(yīng)用研究，包括粒子的播撒和相機(jī)激光器等硬件設(shè)施的布局等，測(cè)量Ma=0.6來(lái)流條件下空流場(chǎng)的三維分布，并與二維PIV進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，測(cè)量來(lái)流馬赫數(shù)0.6和0.7條件下翼型表面貼附光膜和順流向?qū)ΨQV形小肋薄膜之后翼型尾緣后方的三維速度場(chǎng)，進(jìn)行了小肋減阻被動(dòng)控制技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用難點(diǎn)

1.1 Tomo-PIV技術(shù)簡(jiǎn)介

Tomo-PIV是將PIV技術(shù)和CT重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合形成的一種三維流場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間流場(chǎng)的全場(chǎng)定量測(cè)量，測(cè)量原理如圖1所示。利用高能量的激光脈沖照射測(cè)量區(qū)域，向流場(chǎng)中播撒一定濃度的示蹤粒子，同時(shí)使用多個(gè)(一般為3～6個(gè))相機(jī)記錄粒子運(yùn)動(dòng)圖像，利用倍增代數(shù)重構(gòu)算法(MART)對(duì)三維空間粒子分布進(jìn)行迭代重構(gòu)，然后對(duì)相鄰曝光間距的2個(gè)三維重構(gòu)體進(jìn)行三維互相關(guān)(Cross-correlation)，獲取粒子的位移信息，再除以曝光時(shí)間Δt即可計(jì)算出速度場(chǎng)。

圖1 Tomo-PIV技術(shù)原理圖

1.2 Tomo-PIV技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

Tomo-PIV在低速水洞和低速風(fēng)洞中已進(jìn)入初步應(yīng)用階段，但在亞跨超及高超聲速風(fēng)洞的應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。二維PIV通過(guò)片光照明、單相機(jī)成像，獲取二維平面內(nèi)的兩分量速度場(chǎng)；Tomo-PIV通過(guò)體激光照明、多臺(tái)相機(jī)成像，獲取三維空間內(nèi)的3個(gè)速度分量。因此，相對(duì)于二維PIV，Tomo-PIV應(yīng)用帶來(lái)了更多需要解決的問(wèn)題。

Tomo-PIV系統(tǒng)復(fù)雜，光路設(shè)計(jì)困難。Tomo-PIV需要多相機(jī)拍攝流場(chǎng)，因此需要尺寸較大的觀察窗，使所有鏡頭均能拍攝到模型有效區(qū)域，多臺(tái)相機(jī)空間視野對(duì)齊的效率和精度也需要提高。此外，流場(chǎng)照明為體狀光源，所需要的設(shè)備布局空間較大，且激光的照明路線和相機(jī)的拍攝方向也需要進(jìn)行完備的設(shè)計(jì)。因此整個(gè)系統(tǒng)的布置對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段有一定的要求，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的風(fēng)洞沒(méi)有專門的特種光學(xué)試驗(yàn)段，對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜流場(chǎng)測(cè)量所需要的特種光路有很大的困難。

示蹤粒子的選擇和播撒是Tomo-PIV面臨的又一個(gè)問(wèn)題。Tomo-PIV根據(jù)拍攝的示蹤粒子圖片反衍計(jì)算出流場(chǎng)速度分布，因此示蹤粒子的選取是試驗(yàn)至關(guān)重要的一個(gè)方面。示蹤粒子需要在保證跟隨性的同時(shí)有足夠的散射光強(qiáng)，使得圖像具有較高的信噪比，而在PIV試驗(yàn)中這兩者是相互矛盾的，因此需要平衡兩者，選擇一個(gè)合適的示蹤粒子種類和粒徑，這個(gè)問(wèn)題在Tomo-PIV中尤其突出。由于Tomo-PIV是一種三維流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，和二維相比，測(cè)量區(qū)域的激光能量會(huì)減弱十幾倍甚至幾十倍，導(dǎo)致粒子的散射光減弱，圖像信噪比變低，影響后續(xù)的粒子重構(gòu)質(zhì)量和精度。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及模型

2.1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞

試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的FD-12亞跨超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行。FD-12為暫沖式亞跨超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸1.2 m×1.2 m，總長(zhǎng)3.8 m，為外圓內(nèi)方的雙層結(jié)構(gòu)，外層(即駐室)內(nèi)徑為2.8 m，內(nèi)層(即亞跨聲速插入箱)進(jìn)出口尺寸1.2 m×1.2 m，插入箱的上下壁是可調(diào)擴(kuò)開(kāi)角的開(kāi)孔壁，左右壁為實(shí)壁。在試驗(yàn)段側(cè)面分別設(shè)置有2套透光尺寸為Φ500 mm的觀察窗，駐室頂部設(shè)有一個(gè)Φ450 mm觀察窗。風(fēng)洞及試驗(yàn)段外形見(jiàn)圖2。

圖2 亞跨聲速風(fēng)洞及試驗(yàn)段

2.1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槌R界翼型OAT15a，整體采用3段式設(shè)計(jì)，每段長(zhǎng)度300 mm，翼型弦長(zhǎng)300 mm，展弦比為3∶1，整體通過(guò)側(cè)窗機(jī)構(gòu)支撐?？刂浦虚g段翼型與兩側(cè)模型間隙為1.5 mm，并使用單側(cè)背膠海綿填充，降低縫隙流動(dòng)的同時(shí)保證沒(méi)有力的傳遞。

圖3 翼型安裝示意圖

圖4 小肋薄膜外形

表1 不同來(lái)流馬赫數(shù)下對(duì)應(yīng)的小肋無(wú)量綱尺寸

2.1.3 Tomo-PIV測(cè)量系統(tǒng)

使用北京立方天地有限公司的Tomo-PIV測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。其主要由圖像采集系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。示蹤粒子播撒系統(tǒng)由本課題組自主研發(fā)設(shè)計(jì)。

粒子圖像采集系統(tǒng)由4臺(tái)CCD相機(jī)組成，數(shù)字相機(jī)為IMPERX公司的跨幀相機(jī)，通過(guò)外部觸發(fā)進(jìn)行工作，1次瞬間捕捉2幀圖像，同時(shí)將捕捉到的一系列圖像數(shù)據(jù)通過(guò)圖像采集板實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存中，相機(jī)分辨率為2456 pixel×2058 pixel，配備PC-E Micro NIKKOR 85 mm f/2.8 D移軸鏡頭，具有一定的景深控制，能夠?qū)崿F(xiàn)一定厚度范圍內(nèi)體空間的流場(chǎng)拍攝。

照明系統(tǒng)主要由激光器和體光源組成。采用Nd: YAG雙脈沖式激光器，輸出波長(zhǎng)為532 nm，單脈沖能量為250 mJ。圖5為體光源結(jié)構(gòu)示意圖，體光源由激光擴(kuò)束系統(tǒng)和平凹柱面鏡組成。激光擴(kuò)束系統(tǒng)原理示意圖見(jiàn)圖6，該系統(tǒng)包括1個(gè)平凹透鏡和平凸透鏡，主要有2個(gè)用途：其一是擴(kuò)展激光束的直徑；其二是減小激光束的發(fā)散角。擴(kuò)束后的光束經(jīng)過(guò)1個(gè)平凹柱面鏡，使光束只在一個(gè)方向擴(kuò)束，形成橢圓形截面的激光光源，在平凹柱面鏡之后加入可調(diào)節(jié)光闌對(duì)體光源進(jìn)行邊界修正，以調(diào)節(jié)出所需要的體光源形狀。

圖5 體光源結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 擴(kuò)束系統(tǒng)原理示意圖

同步控制器通過(guò)內(nèi)部時(shí)基產(chǎn)生周期的脈沖觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò)多個(gè)延時(shí)通道同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)過(guò)延時(shí)的觸發(fā)信號(hào)，用來(lái)控制激光器、數(shù)字相機(jī)和圖像采集卡，使得激光器脈沖間隔與相機(jī)曝光時(shí)間協(xié)調(diào)匹配，同步控制器控制精度小于1 ns。

粒子播撒系統(tǒng)包括粒子播撒設(shè)備和示蹤粒子。為適應(yīng)亞跨聲速風(fēng)洞的粒子播撒，設(shè)計(jì)加工了基于流化床原理的固體粉末粒子發(fā)生器，破壞固體粉末的團(tuán)聚作用，確保了粒子的跟隨性。試驗(yàn)采用平均粒徑為50 nm的TiO2作為示蹤粒子，粒子濃度通過(guò)供氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，播撒的粒子從噴管前段注入到風(fēng)洞之中，在進(jìn)入試驗(yàn)段之前混合均勻，示蹤粒子濃度為0.06 ppp(partical per pixel)。

2.2 試驗(yàn)方案及布局

(1) 小肋薄膜貼附方案。圖7所示為光膜及小肋薄膜布置方案。在上翼面距前緣10%的位置布置轉(zhuǎn)捩帶，轉(zhuǎn)捩帶前部和整個(gè)下翼面全部貼附光滑薄膜。測(cè)量光膜后方流場(chǎng)時(shí)，將轉(zhuǎn)捩帶之后的上翼面全部貼附光滑薄膜；測(cè)量小肋薄膜后方流場(chǎng)時(shí)，上翼面轉(zhuǎn)捩帶后布置小肋薄膜，與前者進(jìn)行對(duì)比。

(2)示蹤粒子播撒方案。設(shè)計(jì)并加工了高壓流化床式納米固體粒子發(fā)生器，主要由氣流入口、減速增壓段、粉末粒子混合段、對(duì)撞沖擊段、分離篩選段和出口等部分組成，實(shí)現(xiàn)示蹤粒子的充分摻混和破碎，最終篩選出滿足試驗(yàn)需求的示蹤粒子。配合該發(fā)生器設(shè)計(jì)加工了用于注入粒子的播撒架，如圖9所示。在過(guò)渡段兩側(cè)風(fēng)洞壁上均開(kāi)了2個(gè)直徑為50 mm的圓孔，播撒架和圓孔固定，在播撒架上均勻分布多個(gè)細(xì)小圓孔，示蹤粒子從圓孔中注入到過(guò)渡段中，經(jīng)過(guò)一定距離的摻混，使粒子均勻播撒于風(fēng)洞試驗(yàn)段測(cè)量區(qū)域。

圖7 光膜及小肋薄膜布置方案

圖8 粒子發(fā)生器

圖9 播撒架及開(kāi)孔位置

(3)試驗(yàn)整體布局方案。圖10為試驗(yàn)布局示意圖。使用4臺(tái)CCD相機(jī)進(jìn)行拍攝，相機(jī)固定在六自由度云臺(tái)上，從駐室頂部窗口向下拍攝，通過(guò)調(diào)節(jié)云臺(tái)改變相機(jī)的拍攝視角，使4臺(tái)相機(jī)拍攝模型的同一區(qū)域；激光束經(jīng)體光源裝置形成邊界規(guī)整的體狀光源，從側(cè)窗進(jìn)行流場(chǎng)的照明，通過(guò)調(diào)節(jié)升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)改變體光源的位置和角度，使光源照明試驗(yàn)拍攝區(qū)域。

圖10 試驗(yàn)布局示意圖

圖11 設(shè)備布置現(xiàn)場(chǎng)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

小肋減阻試驗(yàn)主要針對(duì)模型0°迎角的工況進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.6和0.7，采樣頻率5 Hz，拍攝區(qū)域左側(cè)距離翼型尾緣70 mm，底部距離尾緣最高點(diǎn)2 mm，重構(gòu)區(qū)域大小為45 mm(x)×30 mm(y) ×12 mm(z)(規(guī)定流向?yàn)閤軸正方向，豎直向上為z軸正方向，y軸正方向由右手法則確定)。相機(jī)跨幀時(shí)間700 ns，對(duì)應(yīng)馬赫數(shù)下的粒子位移分別為5和6 pixel，分別采用SF-MART[13](Spatial Filtering MART)算法和互相關(guān)算法進(jìn)行三維粒子重構(gòu)和三維速度場(chǎng)計(jì)算，互相關(guān)迭代窗口為64 voxel×64 voxel×64 voxel，窗口重疊因子75%，最終采用的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Tomo-PIV計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of Tomo-PIV

FD-12風(fēng)洞為暫沖式亞跨超三聲速風(fēng)洞，總溫在運(yùn)行期間會(huì)發(fā)生比較明顯的變化，而溫度會(huì)影響到流場(chǎng)的速度值。單純從速度場(chǎng)結(jié)果分析小肋薄膜減阻效果是不準(zhǔn)確的，因此需考慮到溫度和壓縮性，將速度場(chǎng)結(jié)果結(jié)合來(lái)流總溫條件，根據(jù)絕熱假設(shè)計(jì)算流場(chǎng)的馬赫數(shù)分布，并通過(guò)馬赫數(shù)分布的比較來(lái)驗(yàn)證小肋薄膜的減阻效果。馬赫數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

其中，v為測(cè)量速度，c為當(dāng)?shù)芈曀?，T0為來(lái)流總溫，γ為比熱比，R為氣體常數(shù)。

3.1 空流場(chǎng)結(jié)果分析

針對(duì)Ma=0.6條件下的空風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，以此驗(yàn)證在該設(shè)備布局下Tomo-PIV的測(cè)量精度。圖12和13分別為時(shí)間平均后的流場(chǎng)三維速度及三維矢量圖分布，可以看出流場(chǎng)均勻性良好，速度矢量和來(lái)流方向一致。為了更加直觀地分析流場(chǎng)穩(wěn)定性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作了進(jìn)一步的處理。

圖12 三維速度場(chǎng)分布

圖13 三維速度矢量圖

圖14為二維截面與對(duì)應(yīng)的三維流場(chǎng)截面速度云圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Tomo-PIV和成熟的PIV測(cè)試結(jié)果基本一致，均為185 m/s左右；此外，對(duì)三維速度場(chǎng)進(jìn)行展向平均，并給出了y=15 mm處二維及三維對(duì)應(yīng)位置平均速度沿流向的波動(dòng)變化，如圖15所示。可以看出，測(cè)量速度均圍繞平均速度上下波動(dòng)，Tomo-PIV測(cè)試結(jié)果的最大波動(dòng)值為0.42 m/s，PIV測(cè)試結(jié)果的最大波動(dòng)值為0.13 m/s，都顯示出了較好的測(cè)量精度。試驗(yàn)結(jié)果不僅證明了Tomo-PIV的試驗(yàn)精度滿足要求，還表明FD-12的流場(chǎng)品質(zhì)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，可以勝任型號(hào)試驗(yàn)。

圖14 截面速度云圖對(duì)比

圖15 速度波動(dòng)

3.2 尾流場(chǎng)結(jié)果分析

圖16～19分別為來(lái)流Ma=0.6和0.7時(shí)翼型表面貼附光膜和順流向小肋薄膜之后的尾流三維速度分布圖?？梢钥闯?，沿著流向流場(chǎng)馬赫數(shù)逐漸增大并向主流馬赫數(shù)靠近，說(shuō)明流場(chǎng)馬赫數(shù)在尾緣附近減小之后，又逐漸增大，最后恢復(fù)為主流馬赫數(shù)。根據(jù)速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在尾流的相同位置處，貼附小肋薄膜后的馬赫數(shù)比貼附光膜的要高，說(shuō)明小肋薄膜能夠減小翼面的摩擦阻力。

圖20和21分別為Ma=0.6和0.7時(shí)翼型表面貼附光膜和順流向小肋薄膜后不同展向位置的速度截面對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同展向位置的流場(chǎng)特性無(wú)明顯變化，說(shuō)明流場(chǎng)穩(wěn)定、試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠?、沒(méi)有三維流動(dòng)。因此，可以將三維流場(chǎng)沿展向進(jìn)行平均，進(jìn)而對(duì)比研究馬赫數(shù)沿流向的變化。

圖16 貼附光膜后尾流速度場(chǎng)分布，Ma=0.6

圖17 貼附小肋膜后尾流速度場(chǎng)分布，Ma=0.6

圖18 貼附光膜后尾流速度場(chǎng)分布，Ma=0.7

圖19 貼附小肋膜后尾流速度場(chǎng)分布，Ma=0.7

圖20 不同截面位置的馬赫數(shù)分布, Ma=0.6

圖22和23分別給出了三維流場(chǎng)展向平均后的速度場(chǎng)分布，圖24和25為對(duì)應(yīng)的沿流向的馬赫數(shù)變化情況。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在流場(chǎng)的相同位置，貼附小肋膜后的流場(chǎng)馬赫數(shù)總是比貼附光膜的要高，但最終均向主流馬赫數(shù)靠近，說(shuō)明小肋膜能夠減小壁面的摩擦阻力，具有一定的減阻效果，但是只對(duì)翼型一定距離內(nèi)的流動(dòng)才有作用，超出一定距離后，會(huì)恢復(fù)為主流馬赫數(shù)。

定義ε為速度增加量，計(jì)算公式如下：

×100%

(2)

根據(jù)此公式分別計(jì)算來(lái)流Ma=0.6和0.7條件下的速度增加量(計(jì)算時(shí)將流向馬赫數(shù)取了一個(gè)平均值進(jìn)行計(jì)算)，見(jiàn)表3。從表3中可以看出，在2種馬赫數(shù)來(lái)流條件下小肋薄膜后的速度值均有一定增加，Ma=0.7時(shí)的速度增加量為1.4%，Ma=0.6條件下的速度增加量為0.6%。造成兩者速度增加比例不同的原因在于：不同的來(lái)流馬赫數(shù)下小肋的無(wú)量綱尺寸不同。理論研究表明：小肋的無(wú)量綱高度和寬度在17左右時(shí)會(huì)達(dá)到一個(gè)最佳的減阻效果[14]，高于和低于該數(shù)值時(shí)，減阻效果均有不同程度的減弱。本文采用的小肋在Ma=0.7時(shí)的無(wú)量綱尺度比Ma=0.6時(shí)更加接近此數(shù)值，因此速度增加量更加明顯，從而也表明了試驗(yàn)結(jié)果和理論是相符的。此外，根據(jù)風(fēng)洞空流場(chǎng)的三維結(jié)果，時(shí)間平均后的Tomo-PIV速度脈動(dòng)小于0.3%，且小肋主要影響近壁面區(qū)域，因此相應(yīng)的速度增量0.6%和1.4%的測(cè)量結(jié)果是可信的。

圖23 展向平均之后的馬赫數(shù)分布,Ma=0.7

圖24 展向平均后沿流向的馬赫數(shù)變化, Ma=0.6

圖25 展向平均后沿流向的馬赫數(shù)變化, Ma=0.7

表3 小肋減阻效果Table 3 The drag-reduction effect of riblets film

4 總 結(jié)

基于中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-12亞跨超聲速風(fēng)洞，設(shè)計(jì)了Tomo-PIV技術(shù)應(yīng)用布局方案，通過(guò)空風(fēng)洞的流場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證了Tomo-PIV的精度，進(jìn)行了超臨界翼型OAT15a尾緣后方流場(chǎng)的三維速度場(chǎng)測(cè)量，得到如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)對(duì)Ma=0.6條件下Tomo-PIV和PIV的空風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，證明了Tomo-PIV測(cè)試結(jié)果的精確性，實(shí)現(xiàn)了Tomo-PIV技術(shù)在亞跨聲速風(fēng)洞的應(yīng)用。

(2) 對(duì)翼型表面貼附光滑薄膜和順流向小肋薄膜后翼型尾緣后方流場(chǎng)進(jìn)行了Tomo-PIV測(cè)量，發(fā)現(xiàn)貼附順流向小肋薄膜后流場(chǎng)馬赫數(shù)增大，表明順流向小肋薄膜能夠抑制翼型表面摩阻，具有一定的減阻效果。

(3) 不同無(wú)量綱尺度小肋具有的減阻效果不同，在本試驗(yàn)中,Ma=0.7時(shí)小肋的無(wú)量綱尺度更加接近最佳減阻效果的小肋尺度，因而減阻效果更加明顯。