北京邮电大学吴湛击组实验室简介文档共23页
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北京邮电大学微波实验报告信息与通信工程学院微波仿真实验报告班级:姓名:学号:序号:日期:2013年6月9日目录实验二分支线匹配器 --------------------------------------------------- 4一、实验目的----------------------------------------------------------------------------------------- 4二、实验原理----------------------------------------------------------------------------------------- 4三、实验内容----------------------------------------------------------------------------------------- 4四、实验步骤----------------------------------------------------------------------------------------- 5●单枝节匹配器 ------------------------------------------------------------------------------------------ 5●双枝节匹配器 ----------------------------------------------------------------------------------------- 12五、实验结果分析--------------------------------------------------------------------------------- 20六、实验中遇到的问题和解决方法 ------------------------------------------------------------ 20实验三四分之一波长阻抗变换器 ----------------------------------- 22一、实验目的--------------------------------------------------------------------------------------- 22二、实验原理--------------------------------------------------------------------------------------- 22三、实验内容--------------------------------------------------------------------------------------- 26四、实验步骤--------------------------------------------------------------------------------------- 27五、实验结果分析--------------------------------------------------------------------------------- 44六、实验中遇到的问题及解决方法 ------------------------------------------------------------ 46实验六功率分配器 ----------------------------------------------------- 48一、实验目的--------------------------------------------------------------------------------------- 48二、实验原理--------------------------------------------------------------------------------------- 48三、实验内容--------------------------------------------------------------------------------------- 51四、实验步骤--------------------------------------------------------------------------------------- 51五、实验结果分析--------------------------------------------------------------------------------- 63六、实验中遇到的问题和解决方法 ------------------------------------------------------------ 63实验心得与体会---------------------------------------------------------- 65实验二分支线匹配器一、实验目的1.掌握支节匹配器的工作原理。
北京邮电大学信息与通信工程学院介绍学院史话2008年,按照“学科归位”的改革措施,学校将原电信工程学院、原信息工程学院和原继续教育学院涉及“信息与通信工程”一级学科的资源重新整合为“信息与通信工程学院”,成为北邮规模最大的学院,也是目前国内规模最大、设施齐全、基础雄厚的信息通信专业人才培养基地之一,目标在于集中体现北邮最具优势的学科和专业,使北邮继续保持在信息通信领域的全国领先地位。
2008年10月15日,在北邮科学会堂举行了信息与通信工程学院成立大会,学校王亚杰书记和方滨兴校长亲自为信息与通信工程学院揭牌,标志着信息与通信工程学院正式成立。
信息与通信工程学院的前身是1955年学校建校初期的有线电工程系和无线电工程系,因此追溯她的历史,是与北邮同步成长和发展的。
在叶培大、周炯槃、蔡长年等老一辈教育家的带领下,经过五十多年的发展历程,她为祖国的邮电通信事业培养了大批优秀的人才,从共和国的部长到大学的校长,从著名的学者、教授到杰出的企业家、科技专家,从人类灵魂的工程师到通信行业的业务骨干,他们用辛勤开创了中国自己的电信事业,他们用智慧创造了先进的信息技术,他们用心血培养了一代代优秀的北邮人,他们正在用双手托起一个信息化的现代中国。
昔日的学子遍布祖国大江南北、世界各个大洲,一代代信通人薪火相传,奋斗不息,经过半个多世纪的文化传承,已是誉传内外,桃李芬芳。
截止到2008年,信息与通信工程学院共培养了30000多名本科毕业生、4000多名硕士毕业生、700多名博士毕业生以及工程硕士研究生400多名、各类专科毕业生6000多名,她们为祖国建设和经济发展做出了突出贡献,也为学院发展奠定了坚实基础。
历年专业设置1952年~1958年有线电工程系电报电话通信、通信自动控制(59)、有线制造(59)无线电工程系无线电通信及广播、电子电路(58、59)、无线制造(59)、微波通信(59)1960年有线电工程系电报电话通信、有线制造、邮机、长途电话专修科、线路专修科、电报专修科无线电工程系无线电通信及广播、无线制造、无线物理、无线电通信及广播专修科1961年~1965年有线电工程系电报电话通信、通信自动控制(61、62)、有线制造(61~63)、有线电设备(64、65)无线电工程系无线电通信及广播、无线物理、无线制造(61~63)、无线电技术(64、65)1966年~1970年停招1971年~1976年电信工程系数字通信(71~74、76)、载波通信、长话自动交换(72)、电子器件(72、73、76)、电子交换(73~76)、通信电力(76)无线电工程系微波通信、无线通信(73)、无线电技术(74~76)、电视(74~76)1977年~1985年电信工程系数字通信(77~79)、载波通信(77~79)、计算机通信(77~84)、电信工程(80~84)、通信工程(85)无线电工程系微波通信(77~80、82)、无线电技术(77~80)、电视(77、78、80)、无线电工程(81、83)、电磁场与微波技术(85)、无线电通信(85)、图像传输与处理(85)、无线电工程(80夜大)1986年~1996年电信工程系通信工程、光缆通信(91、92专科)、通信工程(93专科)、光纤通信(93~95专科)、程控交换(91、92、94专科)、96新疆班无线电工程系电磁场与微波技术、无线电通信(86~95)、图像传输与处理(86~95)、无线电技术(87~92、94~96夜大)、卫星通信(91专科)、数字微波(92专科)、移动通信(93~96专科)信息工程系信息工程、应用数学(86~93)、信息科学(94)、自动化(95~96)1997年~1999年电信工程学院通信工程、电子信息工程、通信工程(97~99夜大)信息工程系信息工程、信息科学、自动化2000年~2008年电信工程学院通信工程、电子信息工程信息工程学院信息工程、信息与计算科学、自动化、信息安全(02~08)、数字媒体艺术(04~08)、智能科学与技术(06~08)2009年开始信息与通信工程学院通信工程、信息工程、电子信息工程、数字媒体技术学院简介学院拥有一支以中国工程院院士周炯槃教授和刘韵洁教授为杰出代表、以多位国内外知名专家为学科带头人、以高水平的博士生导师、教授、副教授和具有博士学位的年轻教师组成的师资队伍。
第9卷㊀第1期2024年1月气体物理PHYSICSOFGASESVol.9㊀No.1Jan.2024㊀㊀DOI:10.19527/j.cnki.2096 ̄1642.1071双喉道Ludwieg管风洞启动过程及其有效运行时间延长李创创1ꎬ㊀李志远1ꎬ㊀张振辉2ꎬ㊀吴㊀杰1(1.华中科技大学航空航天学院ꎬ湖北武汉430074ꎻ2.中国空气动力研究与发展中心ꎬ四川绵阳621000)StartingProcessofaDouble ̄ThroatLudwiegTubeTunnelandtheExtensionofItsEffectiveRunningTimeLIChuangchuang1ꎬ㊀LIZhiyuan1ꎬ㊀ZHANGZhenhui2ꎬ㊀WuJie1(1.SchoolofAerospaceEngineeringꎬHuazhongUniversityofScienceandTechnologyꎬWuhan430074ꎬChinaꎻ2.ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenterꎬMianyang621000ꎬChina)摘㊀要:Ludwieg管风洞是开展高超声速空气动力学实验基础研究的重要平台ꎮ但是ꎬ快开阀启动式高超声速Ludwieg管风洞长期受快开阀影响ꎬ产生不同类型的来流扰动模态ꎮ双喉道气动布局可有效消除快开阀启动式高超声速Ludwieg管风洞上游部件的扰动来源ꎬ但是会导致风洞有效运行时间大幅缩短ꎮ针对该问题ꎬ通过非定常数值模拟对双喉道气动布局高超声速Ludwieg管风洞的启动特性进行研究ꎬ然后对第1喷管扩张段与稳定段进行了融合设计ꎬ研究了不同扩张角与稳定段组合对风洞启动时间以及流场品质的影响ꎮ结果表明ꎬ采用减小扩张角组合设计能够使双喉道气动布局高超声速Ludwieg管风洞的有效运行时间提升近20%ꎬ并且对下游实验段内的静态流场品质几乎无影响ꎬ有效提高了风洞的实验能力ꎮ同时ꎬ相较于较大的扩张角组合ꎬ较小的扩张角设计能够减少约10%的总压损失ꎮ关键词:高超声速风洞ꎻLudwieg管风洞ꎻ双喉道布局ꎻ风洞启动特性ꎻ有效运行时间㊀㊀㊀收稿日期:2023 ̄07 ̄03ꎻ修回日期:2023 ̄08 ̄17第一作者简介:李创创(2000 )㊀男ꎬ硕士ꎬ主要研究方向为高超声速空气动力学ꎮE ̄mail:2930369400@qq.com通信作者简介:吴杰(1986 )㊀男ꎬ教授ꎬ主要研究方向为高速飞行器空气动力学㊁智能流动控制㊁高速风洞设计ꎮE ̄mail:中图分类号:V211.751㊀㊀文献标志码:AAbstract:TheLudwiegtubewindtunnelservesasacrucialtestinggroundforfundamentalstudiesofhypersonicaerody ̄namics.Howeverꎬthequick ̄openingvalve ̄startedhypersonicLudwiegtubewindtunnelhasbeenaffectedbythequick ̄openingvalveforalongtimeꎬresultingindifferenttypesofflowdisturbancemodes.Thedouble ̄throataerodynamicconfigu ̄rationcaneffectivelyeliminatethedisturbancesourceoftheupstreamcomponentsofthequick ̄openingvalve ̄startedhyper ̄sonicLudwiegtubewindtunnelꎬbutitwillleadtoasignificantreductionintheeffectiverunningtimeofthewindtunnel.Inordertosolvethisproblemꎬtheunsteadynumericalsimulationwasusedtostudythestart ̄upcharacteristicsofthehyper ̄sonicLudwiegtubewindtunnelwithdouble ̄throataerodynamicconfiguration.Thenꎬafusiondesignwascarriedoutforthefirstnozzleexpansionsectionandthestablesection.Theeffectsofdifferentcombinationsofexpansionanglesandstablesec ̄tionsonthestart ̄uptimeandflowfieldqualityofthewindtunnelwerestudied.TheresultsshowthattheeffectiverunningtimeofthehypersonicLudwiegtubewindtunnelwithdouble ̄throataerodynamicconfigurationcanbeincreasedbynearly20%byusingthecombineddesignofreducingtheexpansionangleꎬandthestaticflowfieldqualityinthedownstreamex ̄perimentalsectionisalmostunaffectedꎬwhicheffectivelyimprovestheexperimentalabilityofthewindtunnel.Atthesametimeꎬcomparedwiththelargerexpansionanglecombinationꎬthesmallerexpansionangledesigncanreducethetotalpres ̄surelossbyabout10%.第1期李创创ꎬ等:双喉道Ludwieg管风洞启动过程及其有效运行时间延长Keywords:hypersonicwindtunnelꎻLudwiegtubetunnelꎻdouble ̄throatconfigurationꎻstart ̄upcharacteristicsofwindtun ̄nelꎻeffectiverunningtime引㊀言高超声速飞行器由于其高速度㊁强机动㊁超远程等特点ꎬ是当今世界航空航天强国的研究热点ꎬ具有重要的军事战略意义及广阔的民用应用前景[1]ꎮ高超声速飞行器趋向于临近空间发展ꎬ在大气层内飞行时间长ꎬ所涉及的飞行环境㊁速度以及气体流动特性十分复杂ꎬ给气动研究带来了巨大挑战ꎮ通过近几十年的研究ꎬ研究人员在高超声速流动领域积累了大量的理论基础与经验ꎬ但是高超声速空气动力学仍存在诸多难点问题ꎮ虽然计算空气动力学已成为飞行器精确㊁高效设计的预测手段ꎬ但在高超声速流动领域由于流动机理十分复杂ꎬ如高超声速湍流建模㊁高温下多物理场耦合与非化学平衡状态等ꎬ数值方法不能完全刻画其流场演化[2 ̄5]ꎮ对于一些特殊的流动现象ꎬ如层流㊁湍流边界层转捩以及激波 ̄边界层相互作用机理[6ꎬ7]ꎬ目前还无普适的数值模型能够进行预测ꎬ因此需要通过地面气动试验与真实飞行试验相互配合来研究ꎬ以降低飞行器设计中的不确定性ꎮ虽然飞行试验能够获得丰富且更真实的试验数据ꎬ但飞行试验成本昂贵且测试手段也受到较大约束ꎮ同时常规超声速及高超声速风洞设备建设成本昂贵ꎬ风洞的运行和操作也较为复杂ꎬ提高了科研机构进行基础研究的门槛[8ꎬ9]ꎮ随着我国国防事业的发展ꎬ飞行器设计的战术技术指标要求不断提高ꎬ意味着对风洞试验技术也有了更高的要求ꎬ风洞试验趋向于高精度㊁低成本和精细化等方向发展[10]ꎮ在高超声速风洞中ꎬLudwieg管风洞由于其基于中心膨胀波的运行模式ꎬ具有来流Reynolds数高㊁流场重复性好㊁流场稳定等优点[11]ꎮ最初ꎬLudwieg[12]将该设施设计为在高Reynolds数下进行亚声速/跨声速试验的低成本替代方案ꎮ由于Lud ̄wieg管风洞具有能够产生低湍流均匀自由来流的优点ꎬ后来被用于高超声速试验[13ꎬ14]ꎮ典型Ludwieg管风洞由长直储气段㊁Laval喷管㊁试验段和真空罐组成ꎬ通过这种设施可以产生相对较长的运行时间(0.1~0.2s)㊁较大的试验截面和较高的Reynolds数(5ˑ106~50ˑ106m-1)的高超声速流场ꎮ为了进一步提高Ludwieg管风洞的运行效率ꎬ德国宇航院Koppenwallner等[15]研制了适用于Ludwieg管风洞的快开阀控制系统ꎬ大幅度提高了该类风洞的试验效率ꎬ并降低了风洞的运行成本ꎮ虽然Lud ̄wieg管风洞能够以较低的建设和运行成本实现高质量的高超声速流场ꎬ但其存在以下不足:首先ꎬLudwieg管风洞的设计Mach数单一ꎬ向低宽Mach数拓展存在困难[16]ꎮ其次ꎬ由于气体重力作用ꎬ储气段内气体加热不均匀ꎬ从而产生较大的熵波扰动[17ꎬ18]ꎮ再者ꎬ快开阀对Laval喷管喉部上游流场的干扰会增加试验段自由流扰动幅值[19]ꎻ同时ꎬ阀门形成的涡脱落也会在风洞流场中引入一定的涡波扰动[20]ꎮ上述扰动源的引入会显著降低风洞的流场品质ꎮ为了将高Mach数Ludwieg管风洞向中低Mach数扩展ꎬWu等[21]基于常规高超声速Ludwieg管采用双喉道气动布局ꎬ即额外增加1个Laval喷管和用于连接两个喷管的稳定段ꎻ第1喷管和稳定段联合起到节流作用ꎬ可以低成本地实现将原有的Ludwieg管风洞向多个运行Mach数扩展ꎮ此外ꎬ采用双喉道布局Ludwieg管风洞自由流扰动的特征表明ꎬ稳定段可以相当大程度地消除来自快开阀及其他上游组件产生的干扰ꎮSchrijer等[22]也采用了相同设计ꎬ通过串联喷管的配置实现了风洞由高Mach数流动到低Mach数的转变ꎮ国内高亮杰等[23ꎬ24]详细分析了该气动布局风洞喷管的工作模态ꎬ并采用非定常数值模拟技术研究了风洞的启动特性ꎬ实现不同Mach数下的尺寸匹配ꎮ然而ꎬ按照Wu等[17]的设计思路ꎬLudwieg管风洞只能向低Mach数工况拓展ꎬ传统的高超声速Ludwieg管风洞要消除来自Laval喷管上游部件的干扰仍存在较大难度ꎮ同时ꎬWu等[17]的设计中第1喷管的喉道面积比第2喷管要小得多ꎬ导致两个喉道之间产生较大的总压损失ꎬ会影响风洞的气动性能ꎮ针对该问题ꎬLi等[16]设计了一种双喉道气动布局的Ludwieg管风洞ꎬ使风洞的第2喉道截面积小于第1喉道ꎬ数值模拟与实验结果均验证了该方案可行ꎬ大幅提升了高超声速来流的流场品质ꎬ且总压损失较小ꎮ但是ꎬ由于第1Laval喷管和稳定段的引入ꎬ使该风洞的启动时间较长ꎬ因此须对其启动过程进行进一步优化分析ꎬ以期缩短采用该类气动布局风洞的启动时间ꎮ针对该问题ꎬ对该双喉道布局的Ludwieg管风洞启动特性进行深入研究ꎬ并重点对缩短风洞启动过程进行优化ꎮ文章首95气体物理2024年㊀第9卷先介绍采用该双喉道气动布局的Ludwieg管风洞的工作原理ꎻ之后ꎬ对风洞的启动过程进行非定常数值模拟与分析ꎻ而后ꎬ将对第1段Laval喷管与稳定段进行融合设计ꎬ并分析其对风洞的启动过程和流场品质的影响ꎻ最后ꎬ根据数值模拟结果ꎬ确定进一步缩短采用该双喉道气动布局的Ludwieg管风洞运行时间的有效设计ꎮ1㊀双喉道Ludwieg管风洞设计1.1㊀双喉道Ludwieg管风洞运行原理该双喉道Ludwieg管风洞结构与Wu等[17]以及Schrijer[25]描述的相似ꎬ但由于第1喷管与第2喷管的喉道面积比大于1ꎬ导致其工作原理完全不同ꎮ采用第1喉道较大的布局方式可以消除风洞稳定运行时第1喉道处的激波结构和由双喉道面积比引入的压力损失ꎬ其气动布局如图1所示ꎮ快开阀开启瞬间ꎬ储气段内的高温高压气体首先通过第1喷管ꎬ并在第1喷管喉道处发生壅塞ꎮ随后气体通过稳定段ꎬ在第2喷管喉道处再次发生壅塞ꎬ而后流动沿第2喷管扩张至设计的超声速流动ꎮ此时第1和第2喷管喉道处的流动均为声速流动ꎬ膨胀波(图1中的OA和OB)向上游传播到储气段中ꎮ在该过程中ꎬ第1喷管和第2喷管中的流动符合一维等熵流动控制方程ꎮ稳定段内气体的总压和总温用P1和T表示ꎬ储气段中气体总压和总温用P0和T0表示ꎮ流场建立初期ꎬ流经第1和第2喉道的气体质量流量均可由下面的最大质量流量公式表示ꎬ其中A∗对应喷管喉道截面积ꎮm=P0ꎬ1T0ꎬ1A∗γR2γ+1æèçöø÷γ+12γ-2在风洞的整个流场中ꎬ忽略热传导ꎬ可认为是绝热过程(T0=T1)ꎮ由于第1喉道面积大于第2喉道面积且P0大于P1ꎬ所以风洞启动过程中流经第1喉道的质量流量大于第2喉道ꎮ稳定段内的气体质量增加使压力P1上升ꎬ进而使通过第2喉道的质量流量增大ꎬ同时稳定段内的流动逐渐转变为亚声速流动ꎬ随后流经第1喉道的质量流量开始减小ꎮ一段时间后通过两喉道的质量流量会达到平衡ꎬ此时风洞处于稳定运行状态ꎬ声速点位于第2喉道ꎬ第2喉道为整个流道的几何喉道ꎮ当膨胀波系经储气段末端反射回来到达第1喉道时ꎬ风洞1个运行周期结束ꎬ快开阀随后关闭ꎮ该风洞布局中ꎬ稳定段内的主要扰动来源是阀门的涡脱落和第1喷管与稳定段交接处附近的流动分离ꎬ都属于涡波扰动ꎬ扰动形式较为单一ꎮ该气动布局总压损失较小ꎬ并且在稳定段中容易设计整流措施ꎬ因此通过该风洞实验平台可以获得更高质量的自由来流ꎮ但这种气动布局会使风洞的启动耗时较长ꎬ须对其启动过程进行研究ꎮ图1㊀新型双喉道Ludwieg管风洞运行原理图Fig.1㊀Operationprincipleofnewdouble ̄throatLudwiegtubewindtunnel[16]1.2㊀第1Laval喷管与稳定段设计风洞运行稳定时ꎬ第1喷管与稳定段内的流动均为亚声速流动ꎬ所以无须使用特征线法进行设计ꎮ同时在第1喷管喉道出口处预期会存在微弱的射流效应ꎬ在靠近壁面区域可能存在流动分离ꎬ因此第1喷管型线无须进行精细化设计ꎮ其中ꎬ第1喷管收缩段采用Witoszynski方法ꎬ其型线表达式如下y=y∗1-1-y0yiæèçöø÷2éëêêùûúú1-x2L2iæèçöø÷21+x23L2iæèçöø÷306第1期李创创ꎬ等:双喉道Ludwieg管风洞启动过程及其有效运行时间延长式中ꎬy为横坐标为x处的截面半径ꎬy0为喉部半径ꎬyi为收缩段入口半径ꎬLi为收缩段长度ꎮ为了方便实现第1喷管与稳定段的融合设计ꎬ喷管扩张段出口采用5次曲线并引出与之相切的直线与稳定段相连ꎬ保证了第1喉道出口处的光滑过渡ꎬ避免在该位置处产生激波干扰ꎮ第1喷管与稳定段的整体示意图如图2所示ꎬ扩张段5次曲线公式如下y-y0yout-y0=1+10xLexpæèçöø÷3+15xLexpæèçöø÷4+6xLexpæèçöø÷5式中ꎬyout为扩张段出口半径ꎬLexp为扩张段长度ꎮ图2㊀第1Laval喷管示意图Fig.2㊀SketchofthefirstLavalnozzle第1喷管的收缩段和扩张段的出口半径与稳定段保持一致ꎬ稳定段和扩张段总长保持不变ꎬ因此喷管扩张角θ的大小决定了稳定段和扩张段的长度ꎮ稳定段的设计依赖于其内的流动状态ꎬ为了使经过第1喷管加速后的流场便于通过阻尼材料进行整流来获得高质量流场ꎬ稳定段内的流速通常被限制在Ma=0.1ꎮ根据Mach ̄面积关系式ꎬ可由第1喉道面积获得稳定段半径ꎬ而第1喉道面积受限于第1喉道与第2喉道面积比ꎮ本次计算的风洞气动外形尺寸参考华中科技大学Φ0.25m口径Mach数6Ludwieg管风洞[26]ꎬ在本次计算中第1喉道与第2喉道截面面积比为2.26ꎬ稳定段出口到第1喉道的距离为720mmꎬ第1喷管扩张角为17ʎꎬ第2喷管长度为1400mmꎮ1.3㊀数值设置使用SU2代码对该风洞的启动过程进行非定常Reynolds平均Navier ̄Stokes(URANS)模拟ꎬSU2代码能够预测高超声速流经复杂几何形状周围的黏性流动[27ꎬ28]ꎮ在本计算中ꎬ采用的湍流模式为标准MenterSST两方程湍流模型[29ꎬ30]ꎬ对流项格式采用2阶迎风格式[31ꎬ32]ꎮ出于稳定性考虑ꎬ采用双时间格式ꎬ并将物理时间步长限制为Δt=10-6sꎮ每个物理时间步长的子迭代次数为40ꎬ确保残差能够减少至少4个数量级ꎮ为了得到精确的结果ꎬ流场采用结构化网格ꎬy+均取1左右ꎬ部分网格与边界条件如图3所示ꎮ储气段总长为22mꎬ图中未完全画出ꎮ第2Laval喷管沿流向和垂向的网格数目为480ˑ60ꎬ其余部分的网格生成采用了类似的网格密度ꎬ并对喷管壁面处的网格进行加密处理ꎮ流场的边界条件定义如下:风洞出口定义为压力出口ꎬ所有的壁面指定为绝热无滑移壁面边界条件ꎬ风洞轴线采用轴对称边界条件ꎮ图3㊀网格划分与边界条件设置Fig.3㊀Meshtopologyandboundaryconditionsofflowfield风洞启动时ꎬ快开阀可在5ms内完成启闭ꎬ快开阀开启过程对风洞启动过程的影响几乎可以忽略不计ꎮ因此在快开阀与Laval喷管喉部的接触面上布置了1个数值膜片ꎬ以初始化流场并进行时间瞬态模拟ꎮ储气段的初始条件为总压1MPa和总温434Kꎬ出口设置为压力出口条件ꎬ出口压力为100Paꎬ单位Reynolds数为Re/l=1.06ˑ107m-1ꎮ赵家权等[33]通过将SU2计算的结果与其他求解器进行比较ꎬ检验了其求解高超声速流场的能力ꎬ结果表明SU2和其他求解器吻合良好ꎬ可用于高超声速管道流动模拟ꎮ2㊀数值结果与分析2.1㊀双喉道Ludwieg管风洞的启动过程分析目前对该气动布局风洞启动过程研究较少且不够深入ꎬ因此着重对风洞的启动过程进行分析ꎮ为了对风洞的启动过程有进一步的理解ꎬ并确定该气动布局的可用性ꎬ以及更好地对第1喷管与稳定段进行融合设计ꎬ对该风洞的启动过程进行了非定常数值模拟ꎮ图4展示了阀门开启后1~30ms时刻从快开阀到试验段的Mach数分布情况ꎮ阀门开启后ꎬ流动在初始高压比作用下首先在第1喷管喉道处达16气体物理2024年㊀第9卷到声速ꎬ然后超声速流动迅速占据整个稳定段并在第2喉道入口处形成壅塞流动ꎮ此时ꎬ第1和第2喉道处的流动均为声速流动ꎬ流动经过第2喷管膨胀加速至高超声速ꎬ并在试验段内形成不稳定的高超声速流动ꎮ在t=2ms时ꎬ为了匹配两喉道截面处的流量ꎬ稳定段内的压力开始增加ꎬ第2喉道入口处的流动开始由超声速流动转变成亚声速流动并在收缩段内形成一个亚声速流动区ꎻ该亚声速流动区逐渐沿风洞壁面向上游发展ꎬ在t=5ms时亚声速流动占据整个稳定段ꎮ之后第1喷管处开始出现微弱的射流现象ꎬ并随时间逐渐增强然后减弱ꎬ最后在t=30ms时完全消失ꎮ此时风洞的流场已经建立ꎬ第1喷管与稳定段内的流动完全为亚声速流动ꎮ图4㊀风洞启动过程中不同时刻的Mach数云图Fig.4㊀Machnumbercloudchartatdifferenttimesduringthestart ̄upprocessofthewindtunnel密度梯度云图反映了风洞启动过程中流场内部的激波结构(如图5所示)ꎮ风洞启动瞬间ꎬ超声速气流通过第1喉道并在第1喷管与稳定段的交接处产生斜激波ꎮ由于风洞流场的对称性ꎬ斜激波会在风洞轴线上汇聚ꎬ之后在风洞壁面与轴线间来回反射ꎮ由于能量的耗散ꎬ激波强度沿流向逐渐衰减ꎮ随着稳定段内压力升高ꎬ第2喉道入口处的激波结构开始消失并逐渐向上游过渡ꎮt=5ms时稳定段内的流动比较稳定ꎬ第1喷管处于欠膨胀状态ꎬ但却呈现典型过膨胀激波特征ꎮ激波后的逆压梯度导致边界层与喷管壁面分离ꎬ在靠近壁面两侧形成λ形激波ꎮ随着稳定段与储气段出口压力比的进一步升高ꎬ激波逐渐向第1喷管喉道处靠近ꎬ并伴随出现一系列的激波串ꎬ激波串的强度随时间逐渐减弱并消失ꎮ在t=30ms时稳定段内流动完全为亚声速流动ꎬ因此不存在激波结构ꎮ图5㊀风洞启动过程中不同时刻的密度梯度云图Fig.5㊀Densitygradientcloudchartatdifferenttimesduringthestart ̄upprocessofthewindtunnel为了更清楚地了解稳定段内的流动情况ꎬ图6给出了不同时刻稳定段内沿轴向的动量及流线云图ꎮt=1ms时ꎬ在第2喉道入口处ꎬ由于超声速气流流动发生壅塞而形成流动分离区ꎮ该流动分离区内的涡卷成股旋转着沿风洞壁面向上游流去ꎬ并最终汇聚在第1喷管与稳定段的交接位置处ꎬ在后续过程中导致了激波串的出现ꎮ即使流动达到稳定后ꎬ稳定段内也存在较大的流动分离区ꎬ第1喉道的核心流动区域从壁面分离ꎬ该处的流动以恒定的面积向下游流去ꎮ由于流动分离区集中在第1喷管与稳定段交接位置处ꎬ该区域内的流动可能会对稳定段内的流动产生新的干扰ꎬ该扰动可能通过第2喉道进而对下游试验段内的流场产生影响ꎮ流动分离区的存在也会增加试验段内的总压损失ꎮ图6㊀风洞启动过程中不同时刻沿轴线方向动量云图Fig.6㊀Momentumcloudchartalongtheaxisdirectionatdifferenttimesduringthestart ̄upprocessofthewindtunnel为了分析该风洞启动时的流动演化过程ꎬ在图4所示的4个特殊流向位置提取Mach数和静压以及总压随时间变化的数据进行分析(如图7所示)ꎮ其中位置1~4分别位于储气段出口㊁稳定段入口㊁稳定段出口和试验段内位置处ꎬ数据提取点距离风洞轴线法向10mm处ꎮ26第1期李创创ꎬ等:双喉道Ludwieg管风洞启动过程及其有效运行时间延长(a)slot1㊀㊀㊀(b)slot2(c)slot3㊀㊀5.00(d)slot4图7㊀沿双喉道Ludwieg管风洞不同位置的压力和Mach数随时间的变化Fig.7㊀VariationofpressureandMachnumberwithtimeatdifferentlocationsalongthedouble ̄throatLudwiegtube储气段出口处(如图7(a)所示)的Mach数在20ms前后先增大后减小ꎬ在40~100ms之间基本保持不变ꎬ对应于双喉道Ludwieg管风洞的有效运行时间ꎮ储气段出口处压力在启动过程中先下降ꎬ直到第1喉道不存在声速流动ꎻ此时第1喉道处激波串完全消失ꎬ储气段压力才开始逐渐上升ꎬ通过第1喉道质量流量开始减小ꎮ然后储气段压力维持稳定并存在9%的总压损失ꎬ100ms后膨胀波再次到达快开阀ꎬ风洞一个运行周期结束ꎮ在稳定段入口处(如图7(b)所示)ꎬMach数一开始由于流动膨胀而增加ꎬ随后稳定段内Mach数下降到亚声速流动ꎮ风洞运行时ꎬ由于稳定段入口Mach数仍然较高ꎬ稳定段入口静压值与总压值相比较小ꎮ值得注意的是ꎬ在10ms前ꎬ稳定段入口Mach数和压力存在两次急剧的波动ꎮ从前面的分析可以看出ꎬ第1次波动是由流动在第2喉道处发生壅塞㊁亚声速区向上游过渡导致的ꎬ而第2次波动是受此处激波串的出现和消失的影响ꎮ在稳定段出口(如图7(c)所示)观察到同样现象ꎬ但两次Mach数波动的幅值明显减小ꎮ随后Mach数又出现明显的上升和下降趋势ꎮ该趋势是由第1喷管处的射流效应导致的ꎬ从侧面反映了当激波串逐渐消失时ꎬ随后射流效应的影响区域逐渐扩大然后又逐渐减小ꎮ从位置1ꎬ2ꎬ3中的压力变化可以看出ꎬ稳定段内的质量流量匹配过程以第1喉道不存在声速流动为节点ꎬ可以分为两个阶段:在0~18ms时间段内通过第1喉道的质量流量基本不变ꎬ而通过第2喉道的质量流量逐渐增大ꎬ该阶段稳定段内的流场结构复杂ꎬ流动较为混乱ꎬ是流场结构趋于稳定的过程ꎻ在18~34ms时间段内ꎬ通过第1喉道的质量流量逐渐减小而通过第2喉道的质量流量逐渐增大ꎬ该阶段稳定段内流动为亚声速流动ꎬ无激波结构存在ꎬ是储气段与稳定段内压力的匹配过程ꎮ图7(d)描绘了试验段内Mach数和压力的演化过程ꎬ其中前30ms是流场演化所需的时间ꎻ30~100msꎬ风洞处于稳定运行状态ꎬMach数和压力基本保持不变ꎮ风洞稳定运行时ꎬ从储气段到试验段中的总压基本保持不变ꎬ并维持在0.9MPa左右ꎮ由此说明ꎬ该气动布局带来的额外总压损失基本可以忽略不计ꎬ总压损失主要来源于风洞启动时产生36气体物理2024年㊀第9卷的总压损失ꎮ从图7(c)㊁(d)可以看出ꎬ压力在稳定段内达到稳定大约需要34msꎬ这意味着该双喉道Ludwieg管风洞的有效运行时间为70msꎮ值得注意的是ꎬ静压达到稳定所需的时间比Mach数要长ꎮ因此ꎬ应以试验段静压幅值波动小于1%为判断标准来评价后续风洞试验段的有效运行时间ꎮ为了说明试验段内距离风洞轴线法向10mm处的提取点数据能够用来评估风洞的有效运行时间ꎬ选取距离风洞轴线法向10ꎬ20ꎬ30ꎬ40mm处数据进行分析(如图8所示)ꎮ可以看到不同位置点所体现的风洞有效运行时间基本相同ꎬ采用距离风洞轴线10mm位置处的提取点可以用来评估风洞的有效运行时间ꎮ图8㊀试验段内不同法向位置静压分布Fig.8㊀Staticpressuredistributionatdifferentnormallocationsinthetestsection为了进一步了解风洞稳定运行时稳定段内的流动情况ꎬ图9给出了风洞启动后60msꎬ距离稳定段入口处0ꎬ0.2ꎬ0.4ꎬ0.6m位置处Mach数沿轴线法向方向的分布情况ꎮ可以看到ꎬ稳定段内依然存在微弱的射流效应ꎬ流动沿着稳定段发展ꎬ流速降低的同时流动会更加均匀ꎮ流动在稳定段出口处的Ma<0.1ꎬ能够满足稳定段的设计要求ꎬ一般来说稳定段越长其匀流效果越好ꎬ但会带来更长的风洞启动时间ꎮ2.2 扩张段与稳定段优化设计对图6的分析发现ꎬ流动分离区主要集中在扩张段与稳定段的交接位置处ꎬ因此可以通过减小扩张段的扩张角并保持稳定段与扩张段总长不变ꎬ使喷管壁面占据部分分离区来减少稳定段内流场的演化时间ꎬ进而减少风洞的启动时间ꎮ图9㊀稳定段不同位置处Mach数沿轴线法向分布Fig.9㊀Machnumberdistributionalongthenormaldirectionoftheaxisatdifferentlocationsinthestablesection为了研究不同扩张角与稳定段组合对风洞启动时间以及稳定段内流场品质的影响ꎬ对扩张角为17ʎꎬ6.7ʎꎬ4.1ʎ和3.2ʎ的风洞进行非定常数值模拟ꎮ随着扩张角减小ꎬ扩张段变长而稳定段相对变短ꎬ图10给出了风洞启动后1ms和15ms时不同扩张角和稳定段组合下沿轴向密度梯度云图ꎮ在t=1ms时ꎬ随着扩张角减小ꎬ由于第1喷管与稳定段交接处的拐角增大ꎬ形成的斜激波有明显减弱ꎬ同时稳定段变短会使稳定段内的激波结构更少ꎮ在t=15ms时ꎬ随着扩张角减小ꎬ在第1喉道下游附近的激波串数量逐渐减少ꎬ说明较小扩张角稳定段内的流场演化速度更快ꎬ即压力匹配的第1阶段完成更快ꎮ对不同扩张角与稳定段组合下沿风洞轴线动量以及流线分布云图进行分析(见图11)ꎮt=1ms时ꎬ第2喉道入口处的流动分离区并没有随扩张角的减小产生明显变化ꎮ在t=15ms时ꎬ对于不同扩张角与稳定段组合ꎬ流动分离区主要分布在稳定段内动量较低的区域ꎬ且随扩张角减小而减小ꎻ而较高动量区域为流动的核心区域ꎬ其分布基本一致ꎮ这说明改变扩张角会影响稳定段内分离区大小ꎬ而基本不会对稳定段内核心区域内流动产生较大影响ꎮ(a)t=1ms46第1期李创创ꎬ等:双喉道Ludwieg管风洞启动过程及其有效运行时间延长(b)t=15ms图10㊀不同扩张角下沿轴线方向上密度梯度分布云图Fig.10㊀Densitygradientcloudchartalongtheaxisdirectionatdifferentexpansionangles(a)t=1ms(b)t=15ms图11㊀不同扩张角下沿轴线方向上动量分布云图Fig.11㊀Momentumcloudchartalongtheaxisdirectionatdifferentexpansionangles为了分析不同扩张角与稳定段组合对风洞启动时间的影响ꎬ取不同扩张角下位置1ꎬ3ꎬ4处的Mach数和压力分布随时间变化曲线如图12~14所示ꎮ从图12(a)㊁(b)可以看出ꎬ储气段入口处Mach数在10~20ms之间的峰值随扩张角减小而降低ꎬ达到稳定的时刻逐渐提前ꎮ储气段入口处的压力变化反映了稳定段内质量流量匹配的第1阶段与第2阶段所需时间随扩张角减小均缩短ꎬ说明较小扩张角与稳定段组合加速了风洞的启动过程ꎮ稳定段出口处的Mach数和压力(如图13(a)㊁(b)所示)达到稳定的时间随扩张角减小逐渐提前ꎮ风洞运行时ꎬMach数会随着扩张角减小而有略微增大但压力基本保持不变ꎬ可能是由于稳定段越短匀流效果越差ꎬ同时受第1喉道射流效应的影响越大ꎮ从图14(a)㊁(b)两图可以得出结论ꎬ不同扩张角与稳定段组合几乎不会对风洞稳定运行时试验段内Mach数和压力产生影响ꎬ较小扩张角组合可以明显提高风洞的有效运行时间ꎮ由于风洞的有效运行时间应以试验段内静压幅值波动小于1%作为判断标准ꎬ依照此判断标准ꎬ扩张角为17ʎꎬ6.7ʎꎬ4.1ʎ和3.2ʎ对应的启动时刻为34ꎬ29ꎬ22ꎬ18msꎬ对应的结束时刻均为104msꎬ因此相应的风洞有效运行时间分别为70ꎬ75ꎬ82ꎬ86msꎮ通过采用减小扩张角并保持扩张段与稳定段总长不变的方式ꎬ风洞有效运行时间增加将近16msꎬ相较之前提升了约20%ꎬ大大提高了风洞的试验能力ꎬ这对于高超声速风洞设施来说十分关键ꎮ(a)Machnumber(b)Staticpressure图12㊀位置1处不同扩张角下Mach数和压力随时间的变化Fig.12㊀VariationofMachnumberandpressurewithtimeatdifferentexpansionanglesatslot1position56。
北京邮电大学百科名片北邮校徽北京邮电大学,“211工程”院校。
以信息科技为特色,工学门类为主体,工、管、文、理相结合的多科性全国重点大学。
学校主页:/中文名: 北京邮电大学 外文名: Beijing University of Posts and Telecommunications 简称: 北邮 (BUPT) 校训: 厚德 博学 敬业 乐群 创办时间: 1955年10月 类别: 全国重点大学 学校类型: 工科 主管部门: 教育部 学校属性:211工程 现任校长: 方滨兴 知名校友: 唐骏、吴基传、林金桐等 所属地区: 中国北京 主要院系: 信息与通信工程学院,理学院,电子工程学院等 硕士点: 20个 博士点: 11个 院士: 4人 邮政编码: 100876 目录学校概况学校简介院系设置师资力量交流合作历史沿革现任领导知名教授历任校长学术科研2009年2008年杰出校友校园文化奖学金设置就业领域宏福校区校园风光近年北京邮电大学录取分数线学校概况学校简介院系设置师资力量交流合作历史沿革现任领导知名教授历任校长学术科研2009年2008年杰出校友校园文化奖学金设置就业领域宏福校区校园风光近年北京邮电大学录取分数线展开北京邮电大学编辑本段学校概况[1]北京邮电大学,是教育部直属、工业和信息化部共建、首批进行“211工程”建设的全国重点大学,是一所以信息科技为特色、工学门类为主体、工管文理相结合的多科性大学,是我国信息科技人才的重要培养基地。
自1955年建校以来,经过半个多世纪的建设与发展,学校全日制教育已经形成了信息背景浓郁、专业特色鲜明、学科优势突出的办学格局。
学校现设有信息与通信工程学院、电子工程学院、计算机学院、自动化学院、软件学院、经济管理学院、人文学院、理学院、国际学院、网络教育学院(继续教育学院)、民族教育学院和马克思主义教学与研究中心、体育部等13个教学单位,以及网络技术、信息光子学与光通信、感知技术与产业3个研究院,并设有研究生院。
网络与交换技术国家重点实验室网络与交换技术国家重点实验室依托北京邮电大学, 1992年实验室(当时名称为:程控交换技术与通信网国家重点实验室)正式运行并对外开放,1995年实验室通过国家验收,2002年通过科技部对国家重点实验室进行的评估。
2004年由科技部正式批准实验室更名为…网络与交换技术国家重点实验室‟。
陈俊亮院士是实验室的创始人,曾任首届实验室主任和首届学术委员会主任。
现任实验室主任由孟洛明教授担任;杨义先教授、李晓峰教授任副主任。
现任学术委员会主任由邬贺铨院士担任,程时端教授任副主任。
目前实验室专职研究队伍中有两院院士1人、博士生导师9人、教授12人、副教授20人。
实验室的研究方向和研究内容:网络智能:下一代网络控制和业务支撑环境;网络智能模型及其分层结构;增值业务;网络智能化服务平台;语义网与本体理论;WEB服务。
网络管理:网络管理系统体系结构理论和成套关键技术,包括网络管理的信息模型、系统结构、测试、接口、接入的理论、方法和技术。
网络安全:网络安全(网络攻防、安全评估)、移动通信安全、现代密码理论与应用、信息伪装理论与应用、安全系统实现技术。
交换技术:软交换体系结构、通信协议、安全性、开放性及其性能;服务质量理论和技术;网络可靠性和生存性、业务量建模、流量控制和路由算法;下一代GMPLS光IP网络;光交换理论和技术。
“九五”以来,实验室在科学研究方面的基本情况如下:科研项目实验室承担了各类科研项目100余项,其中国家重点基础研究发展计划(973)项目2项,国家自然科学基金项目19项,国家高技术研究发展计划(863)项目27项,国家科技攻关计划项目8项,省部级重点项目40余项,国际合作项目近10项。
科技奖励实验室的科技成果5次荣获国家科技进步奖,荣获省部级科技进步奖20余次。
标准研究在标准研究方面,有7项研究成果形成国际标准(ITU-T标准),其中M.3208.3和M.3108.3是我国首次提出的系列化建议被ITU-T采纳。
北京邮电大学无线网络定位与通信融合研究中心
佚名
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2018(0)3
【摘要】北京邮电大学无线网络定位与通信融合研究中心是由国家'羲和'计划室内定位导航系统首席专家邓中亮教授创立,围绕国家发展的重大需求,长期致力于无线网络定位与通信融合的理论、技术、方法和应用的探索、研究以及人才培养。
依托北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、教育部工程研究中心、教育部卫星导航联合研究中心等,牵头承担了国家重点研发计划、国家863计划、国防973计划、国家科技支撑计划。
【总页数】1页(P2-2)
【关键词】网络定位;北京邮电大学;国家技术发明;融合研究
【正文语种】中文
【中图分类】TN92-2
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