CN106507929B - 一种用于高超声速流场蒸汽屏显示装置 - Google Patents

一种用于高超声速流场蒸汽屏显示装置

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王克
倪招勇
田兵
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Abstract

公开了一种用于高超声速流场蒸汽屏显示装置，包括水雾粒子播撒装置、片光源生成装置、图像采集装置、图像标定装置，所述的水雾粒子播撒装置包含高压容器、高压气体调节装置、高超声速风洞稳定段水雾播撒装置。片光源产生装置由激光器、片光源生成系统以及坐标架组成。图像采集装置由风洞试验段外的两侧摄像设备以及风洞试验段内顶部的摄像设备组成。图像标定装置为一标定模板，在模板上面具有等间距的白底黑线规则方格形二维标尺，可在旋成体模型上移动，标定模板与测量片光重合，并逐一记录模板图像，以供后期图像尺寸判读使用。

Description

一种用于高超声速流场蒸汽屏显示装置
技术领域
本发明涉及一种高超声速风洞内的流场蒸汽屏显示装置，属于流动显示技术领域。
背景技术
常规的蒸汽屏流动显示技术是应用于亚、跨、超声速风洞中显示漩涡、涡破裂以及涡-涡、波-涡高干扰的一项流动显示技术。
该方法的原理是：在风洞喷管段上游喷入水雾，并与空气充分混合，提高气流的水蒸气浓度。在超声速风洞中，气流通过喷管膨胀，水蒸气凝结成雾，由于流动受到模型干扰，将影响水雾的浓度，从而影响了投射进入风洞测试段的激光片光的散射光强弱，这种图像可用来显示气流绕过模型的空间流动特征。
该项技术以往曾广泛用于跨、超声速风洞流场的流场显示，较为成熟。然而，在国内外的文献中，大部分在低速风洞内应用此项技术，在跨超声速风洞内应用相对较少，应用的最高马赫数M∞≤4。
本项专利技术是基于蒸汽屏技术原理，专门设计与制作了适用于高超声速风洞进行蒸汽屏显示的试验装置。有以下特点：
Δ高马赫数。适用于M∞≥5的高超声速情况，比已见到的情况高。
Δ热气流环境。本项技术适用于加热的环境(通常高超声速风洞需要对气流加热)，国内外都在未加热的环境中应用。
Δ高总压环境。高超声速风洞的运行总压要远高于亚、跨、超风洞。
利用本项专利技术在高超声速风洞内完成了M∞＝5，T0＝100℃，P0＝1.0MPa条件下的旋成体喷流干扰流场的蒸汽屏显示，获得了反映干扰流场特征的蒸汽屏显示图像，验证了本项技术。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于高超声速流场结构显示的蒸气屏试验装置。
本发明的技术解决方案：一种高超声速蒸汽屏显示装置，包括水雾粒子播撒装置、激光片光产生装置、图像采集装置、图像标定装置。
其中所述的水雾粒子播撒入装置包含高压容器、高压气体调节装置、高超声速风洞稳定段水雾播撒装置。高压容器为风洞外保存试验用水的高压容器，其一端连接高压气流管路，另外一端连接风洞稳定段水雾播撒装置。高压容器在连接高压气流管路一端具有高压气体调压装置，可控制高压气流的压力。本发明设计的稳定段水雾播撒装置兼容了总压探针和雾化喷嘴的功能，雾化喷嘴的孔度可以适合尺寸小的高超声速风洞，可以使水在充满极低速的干燥高温高压空气(通常总压＞1.0MPa，总温＞100℃)稳定段内雾化，形成水蒸气并与空气均匀混合；
激光片光产生装置由激光器、片光源生成系统以及坐标架组成。激光器产生的激光，经过两块反射镜组合，可根据试验段位置调节光束的高度和方向，经柱面镜展成垂直照射试验段的片光，片光可沿平行于试验段的导轨(X方向)移动。
图像采集装置由风洞试验段外的两侧摄像设备以及风洞试验段内顶部的摄像设备组成，相对于片光有偏角，可以清晰摄入片光剖面，并与图像标定位置保持一致。
图像标定装置为一标定模板，在模板上面具有等间距的白底黑线规则方格形二维标尺，可在旋成体模型上移动。标定模板与测量片光重合，并逐一记录模板图像，以供后期图像尺寸判读使用。
因摄像机是从试验段外拍摄，与片光有偏角，所得图像与正对剖面拍摄相比存在变形和失真，依靠准备的标定模板，可以通过所述的数据处理来校对标定靶图像，对蒸汽屏照片进行图像复原和定量处理。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明的水雾粒子播撒装置适用于高超声速风洞的高温高压环境，可以同时测总压和播撒水雾粒子。常规高超声速连续风洞产生的高超声速马赫数M∞≥5，来流需进行加热，总温与总压随马赫数增加而迅速增加，此时水雾粒子播撒环境较为严酷。过少的粒子将会严重降低光源的散射强度，甚至不起“屏”；反之，过多粒子降低来流气动条件，水汽含量愈大，马赫数愈高对出口马赫数影响愈大。因此，减少水汽对流场的影响最重要的途径是限定雾化粒子的播入量，同时提高图像采集质量。本发明装置充分考虑以上条件，经理论计算与试验验证可行。
(2)本发明的片光源生成系统可根据试验段位置调节光束的高度和方向。
(3)本发明的图像采集装置包括三台采集设备，分别置于不同位置，可多方向得到图像信息，利于图像的精确还原。
(4)本发明依靠准备的标定模板，可以通过数据处理来校对标定靶图像，对蒸汽屏照片进行图像复原和定量处理。
附图说明
图1为本发明的水雾播撒装置
图2为本发明蒸气屏试验布置示意图；
图3为本发明标定模板示意图与照片；
图4为本发明蒸气屏试验旋成体模型与片光位置示意图；
图5为本发明不同剖面的蒸气屏试验结果；
图6为图形变换处理复原的第5剖面图像；
具体实施方式
本发明包括水雾粒子播撒装置、激光片光产生装置、图像采集装置、图像标定装置。具体实施过程如下
(1)关闭连接高压容器的高压气体管路截止阀(见图1)；
(2)高压容器充满水，并调节高压气体减压阀至合适压力；
(3)开启风洞外两侧以及风洞内部上方的图像采集设备(见图2)；
(4)开启激光片光生成系统(见图2)；
(5)风洞启动运行，同时开启高压气体管路截止阀；
(6)观察蒸汽屏图像，适当调整高压气体减压阀，使水雾播撒浓度合适；
(7)通过坐标架移动片光(位置见图4)，同时采集蒸汽屏图像(见图5)；
(8)风洞运行结束后，保持图像采集设备位置及方向；
(9)利用试验前准备好的标定模板，如图3所示，放置在模型上，沿片光指示位置移动，标定模板与测量片光位置重合，并逐一记录模板图像，以供后期图像尺寸判读使用。
(10)利用标定模板图像复原有侧偏的蒸汽屏图像(见图6)。
本发明装置把一般在亚、跨、超声速风洞应用的蒸汽屏技术，扩展应用到高超声速风洞内。图5显示了旋成体喷流形成的复杂干扰流场的蒸汽屏图像，图6为复原后的蒸汽屏图像，这些结果对于认证流动显示的可信性以及为CFD计算的认证均有帮助。本发明装置可用于对高超声速复杂流动的空间显示，具有广泛应用前景。
本发明未详细说明的内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种用于高超声速流场蒸汽屏显示装置，包括水雾粒子播撒装置、片光源生成装置、图像采集装置、图像标定装置，其特征在于：
(1)所述的水雾粒子播撒装置包含高压容器、高压气体调节装置、高超声速风洞稳定段水雾播撒装置，高压容器为风洞外保存试验用水的高压容器，其一端连接高压气流管路，另外一端连接风洞稳定段水雾播撒装置，高压容器在连接高压气流管路一端具有高压气体调压装置，可控制高压气流的压力，其中稳定段水雾播撒装置兼容了总压探针和雾化喷嘴的功能，雾化喷嘴的孔度适合尺寸小的高超声速风洞，使水在充满极低速的干燥高温高压空气稳定段内雾化，形成水蒸气并与空气均匀混合，水雾粒子播撒装置能限定雾化粒子的播入量，减少水汽对流场的影响，同时可以采集到质量较好的图像；
(2)片光源产生装置由激光器、片光源生成系统以及坐标架组成，激光器产生的激光，经过两块反射镜组合，可根据试验段位置调节光束的高度和方向，经柱面镜展成垂直照射试验段的片光，片光可沿平行于试验段的导轨移动；
(3)图像采集装置由风洞试验段外的两侧摄像设备以及风洞试验段内顶部的摄像设备组成，相对于片光有偏角，可以清晰摄入片光剖面，并与图像标定位置保持一致；
(4)图像标定装置为一标定模板，在模板上面具有等间距的白底黑线规则方格形二维标尺，可在旋成体模型上移动，标定模板与测量片光重合，并逐一记录模板图像，以供后期图像尺寸判读使用。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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