CN106768823A - 一种高超声速内流场波系结构观测方法 - Google Patents

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Abstract

一种高超声速内流场波系结构观测方法，是一种简单可行、建设成本低，获得模型内流场波系结构的方法，它是利用辉光放电流场显示技术的原理进行模型内流场波系结构的分截面观测，试验中模型一侧使用透明材料制成，以便进行辉光放电图像的拍摄，在模型内部相对壁面上布置多对放电电极，采用放电控制单元依次选择其中一对电极进行放电，采用同步控制单元进行辉光放电与相机拍摄的同步，从而可以在一次试验中获得多个截面的流场波系结构。该方法结构简单，对设备要求较低，是高超声速低密度风洞中可以使用的一种流场显示方法。

Description

一种高超声速内流场波系结构观测方法
技术领域
本发明涉及一种高超声速内流场波系结构观测方法，属于风洞流场显示领域。
背景技术
常规高超声速风洞试验中一般采用纹影法或阴影法显示模型周围流场波系结构，但纹影和阴影法均是基于气体的光学折射率是密度的函数，利用气体折射率变化引起的光线偏折原理进行测量的，由于光学折射是一个路径的积分过程，因此无法使用以上两种方法进行模型内流场的波系结构观测，更无法进行模型内流场不同位置截面波系结构的观测。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种高超声速内流场波系结构观测方法，通过控制内壁面上的多个电极对依次放电，并利用相机依次同步拍摄放电图像，实现模型内流场中各个不同截面流场波系结构的观测，解决了高超声速内流场不同截面位置波系结构观测的问题。
本发明解决的技术方案为：一种高超声速内流场波系结构观测方法，步骤如下：
(1)将内流模型的顶面使用透明材料制成，侧面和底面均进行不反光处理，
(2)在内流模型相对的两个侧面内壁上布置多对放电电极，所述放电电极为条状或点状，同一侧面上的放电电极不相交；
(3)在风洞试验中，放电控制模块能够根据需要观测的内流场截面，即平行于气流方向的截面，选择放电电极并能够控制高压电源给放电电极供电，使放电电极放电；
(4)相机是安装在透明材料的顶面外侧，镜头垂直透明顶面，对准内流模型内部；同步控制模块，能够控制在风洞试验中放电电极辉光放电与相机拍摄进行同步，即放电电极在瞬间放电时，相机能够在放电瞬间对内流模型内部流场结构辉光放电图像进行拍摄，得到内流场波系结构图像，相机拍摄时内流模型内无放电电极产生的辉光以外的光源。
所述风洞试验的过程为先向内流模型内通入气体，延迟一定时间后，放电电极通电。
所述高压电源的工作电压在1kV以上。
所述相机的曝光时间范围为0.01～10ms，频率为100～2000Hz。
所述放电电极为条状时，电极宽度小于5mm。
所述放电电极为点状时，电极截面直径小于5mm。
不反光处理，可以是对内流模型内壁面进行喷涂黑色哑光漆，也可以是在黏贴不反光的贴纸。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明透过透明壁面，可以实现对模型内流场波系结构的观测。
(2)本发明可以进行流场的分截面观测，拍摄获得的流场结构是一个截面的流场结构，而不是光路积分的结果，获得的流场结构更加准确。
(3)本发明可以在一次试验中获得多个截面的流场结构，获得的流场信息更加丰富全面，通过后期图像处理和三维重构，可获得三维波系结构。
(4)本发明是基于辉光放电流场显示方法的原理，模型的顶面使用透明材料制成，在模型两侧内壁面上布置多个放电电极对，通过放电控制模块依次选择一个电极对进行放电，采用同步控制模块控制电极放电与相机拍摄的同步，在一次试验过程中可以获得多个截面上的流场结构图像，从而实现模型内流场波系结构的观测。这种方法光路布置简单、对设备要求低，是高超声速低密度风洞中可以使用的一种流场显示方法。
附图说明
图1为本发明的观测模型电极布置示意图；
图2为本发明的内流模型横截面电极布置示意图；
图3为本发明的测试系统原理图；
图4为本发明的本发明的流程图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种高超声速内流场波系结构观测方法，本方法是一种简单可行、建设成本低，获得模型内流场波系结构的方法，它是利用辉光放电流场显示技术的原理进行模型内流场波系结构的分截面观测，试验中模型一侧使用透明材料制成，以便进行辉光放电图像的拍摄，在模型内部相对壁面上布置多对放电电极，采用放电控制单元依次选择其中一对电极进行放电，采用同步控制单元进行辉光放电与相机拍摄的同步，从而可以在一次试验中获得多个截面的流场波系结构。该方法结构简单，对设备要求较低，是高超声速低密度风洞中可以使用的一种流场显示方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图3所示，本发明的方法需要利用的观测模型，包括：内流模型、放电电极1、放电电极2、放电控制模块、同步控制模块、高压电源；
内流模型内部流过气流，其横截面(垂直于气流方向的截面)优选是长方形(也可是梯形、三角形、圆形或椭圆形等)，顶面可以为绝缘透明材料(优选：玻璃)，相对的两个侧面和底面是电绝缘材料(优选：陶瓷、聚四氟乙烯)；内流模型开放的两端中的一端为气流进口，另一端为气流出口；
放电电极1为多个条状电极，安装在侧壁1的内侧壁面，且多个条状电极中两两不相交，
放电电极2为多个条状电极，安装在侧壁2的内侧壁面(和安装放电电极1相对的侧壁的内侧壁面)，且多个条状电极中两两不相交；
在风洞试验中，每次放电选择侧壁1上的a～h中的一个作为放电电极1，选择侧壁2上的A～H中的一个作为放电电极2
放电控制模块、同步控制模块、高压电源在侧壁外部，高压电源能为放电电极1、放电电极2供电；
放电控制模块，能够选择和控制侧壁1内侧的任一电极(电极a～h中的一个)与侧壁2内侧的任一电极(电极A～H中的一个)放电；
同步控制模块，在风洞试验中能够将放电电极对(放电电极1、放电电极2)的辉光放电与相机拍摄进行同步，即放电电极1和放电电极2在瞬间放电时，相机能够在放电瞬间对内流模型内部流场结构辉光放电图像进行拍摄；所述相机是安装在透明材料的顶面外侧，镜头对准进气道内部；
放电电极1、放电电极2在瞬间放电时，内流模型内的气流压力在2000Pa以内，优选内流模型内通过的气流含有氮气；气流速度大于音速(即马赫数大于1)。
如图4所示，基于观测模型，有本发明的一种高超声速内流场波系结构观测方法，步骤如下：
(1)将内流模型的顶面使用透明材料制成，侧面和底面均进行不反光处理，不反光处理，优选是对内流模型内壁面进行喷涂黑色哑光漆，或是在黏贴不反光的贴纸。
(2)在内流模型相对的两个侧面内壁上布置多对放电电极，所述放电电极为条状或点状，同一侧面上的放电电极不相交；放电电极为条状时，优选电极间的最大宽度小于5mm；放电电极为点状时，优选电极最大截面直径小于5mm：
(3)在风洞试验中，放电控制模块能够根据需要观测的内流场截面，即平行于气流方向的截面，选择放电电极并能够控制高压电源给放电电极供电，使放电电极放电；所述风洞试验的过程为先向内流模型内通入气体，延迟一定时间(延迟时间由风洞调试数据决定)后，放电电极通电，高压电源的工作电压优选在1kV以上。
(4)相机是安装在透明材料的顶面外侧，镜头垂直透明顶面，对准内流模型内部；同步控制模块，能够控制在风洞试验中放电电极辉光放电与相机拍摄进行同步，即放电电极在瞬间放电时，相机能够在放电瞬间对内流模型内部流场结构辉光放电图像进行拍摄，得到内流场波系结构图像，相机拍摄时内流模型内无放电电极产生的辉光以外的光源，相机的曝光时间范围优选为0.05ms～0.5ms，频率为1000Hz～2000Hz，曝光时间和频率可以由风洞有效运行时间和高压电源放电脉宽决定。
图2为内流模型横截面电极布置示意图，图2中圆圈内部一个叉，该图标代表气流方向是垂直于纸面向里的，另外如果是一个圆圈内部一个圆点则代表气流方向是垂直于纸面向外的。
风洞试验过程中，根据需要观测的截面位置，选择侧壁1和侧壁2上的电极作为放电电极1和2，(例如，需观测截面S1的波系结构，如图2所示，则选择侧壁1上的a电极和侧壁2上的A电极分别作为放电电极1和2进行放电；如需观测截面S2的波系结构，则选择侧壁1上的a电极和侧壁2上的C电极分别作为放电电极1和2进行放电)。
在一次风洞试验中，通过放电控制模块选择不同的电极对(侧壁1上的电极a～h中的一个和侧壁2上的电极A～H中的一个)作为放电电极1和2，实现不同截面(例如：截面S1、S2和S3等)放电，通过同步控制模块实现辉光放电与相机拍摄的多次同步，从而实现在一次风洞试验过程中获得多个不同截面上的波系结构。然后通过图像处理和三维重构，可获得内流场的三维波系结构。
假设在模型侧壁1上有m个电极，在侧壁2上有n个电极，则在风洞试验中可实现m×n个截面放电，可进行m×n个截面的波系结构显示。
优选方案为：如图1所示的长方体内流模型，在风洞试验中欲观测截面S1(如图2所示)的波系结构，则通过放电控制模块选择侧壁1上的电极a作为放电电极1，选择侧壁2上的电极A作为放电电极2，此时可在截面S1实现辉光放电，通过同步控制模块激发相机进行拍摄，可获得截面S1上的辉光放电图像，由图像上的亮度变化可辨别出截面S1上的波系结构。在风洞有效运行时间允许的条件下，如果还想观测截面S2上的波系结构的话，可以通过放电控制模块选择侧壁1上的电极a作为放电电极1，选择侧壁2上的电极C作为放电电极2(电极A不再作为放电电极2)，实现截面S2上的辉光放电，通过同步控制模块激发相机进行拍摄，可获得截面S2上的辉光放电图像，由图像上的亮度变化可辨别出截面S2上的波系结构。
本发明在高超声速脉冲风洞中经过测试，试验中最优选的方案为：气流静压120Pa、放电电压2kV、两个条状电极之间最大宽度3mm、相机曝光时间0.05ms、频率2000Hz，获得了不同截面上的波系结构，所获得的波系结构经过了数值模拟计算结果的确认，即获得了的流场结构非常准确。

Claims (7)

1.一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于步骤如下：
(1)将内流模型的顶面使用透明材料制成，侧面和底面均进行不反光处理；
(2)在内流模型相对的两个侧面内壁上布置多对放电电极，所述放电电极为条状或点状，同一侧面上的放电电极不相交；
(3)在风洞试验中，放电控制模块能够根据需要观测的内流场截面，即平行于气流方向的截面，选择放电电极并能够控制高压电源给放电电极供电，使放电电极放电；
(4)相机是安装在透明材料的顶面外侧，镜头垂直透明顶面，对准内流模型内部；同步控制模块，能够控制在风洞试验中放电电极辉光放电与相机拍摄进行同步，即放电电极在瞬间放电时，相机能够在放电瞬间对内流模型内部流场结构辉光放电图像进行拍摄，得到内流场波系结构图像，相机拍摄时内流模型内无放电电极产生的辉光以外的光源。
2.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：所述风洞试验的过程为先向内流模型内通入气体，延迟一定时间后，放电电极通电。
3.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：所述高压电源的工作电压在1kV以上。
4.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：所述相机的曝光时间范围为0.01～10ms，频率为100～2000Hz。
5.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：所述放电电极为条状时，电极宽度小于5mm。
6.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：所述放电电极为点状时，电极截面直径小于5mm。
7.根据权利要求1所述的一种高超声速内流场波系结构观测方法，其特征在于：不反光处理，可以是对内流模型内壁面进行喷涂黑色哑光漆，也可以是在黏贴不反光的贴纸。
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