CN106895951A - 高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法和系统，获取方法包括如下步骤：向风洞输入水蒸气，水蒸气在风洞中凝结形成纳米颗粒；纳米颗粒作为示踪粒子，进入内转式进气道及隔离段形成的流场中；在流场至少一个方向上的多个截面位置，采用激光照射，拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像，以获得流场的层析图像。本发明采用水蒸气凝结而成的纳米颗粒作为示踪粒子，分析其散射图像，从而间接获得流场密度分布情况，能够较好地实现流场观测，解决传统纹影方法无法准确反映的问题。另外，水蒸气形成的示踪粒子，易于满足粒子数量与直径大小的要求，且减少了纳米颗粒的注入步骤，也不受风洞实验时间的限制。

Description

高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法、系统

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，具体涉及一种高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法、系统。

背景技术

高超声速内转式进气道流量捕获能力和压缩效率高，总压损失低，易于向圆形燃烧室过渡，逐渐被引入吸气式高超声速一体化飞行器设计当中。

内转式进气道具有多种型面结构，并且型面结构非规则形状，均较为复杂。目前国内主要还停留在内转式进气道的模拟效果测试阶段，与此相关的系统性能影响难以界定，比如，内转式进气道的设计就具有瓶颈，难以进一步优化。

发明内容

本发明提供一种高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法、系统，该方法和系统可以使流场通过层析图像的方式得以显示，以便更为精准地掌握内转式进气道及隔离段的流场信息，从而提供研究的依据。

本发明提供的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，包括如下步骤：

向风洞输入水蒸气，水蒸气在风洞中凝结形成纳米颗粒；

纳米颗粒作为示踪粒子，进入内转式进气道及隔离段形成的流场中；

在所述流场至少一个方向上的多个截面位置，采用激光照射，拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像，以获得所述流场的层析图像。

可选地，所述风洞为激波风洞。

可选地，将所述风洞抽真空以使水蒸气输入所述风洞内，并控制所述水蒸气进入所述风洞后的水蒸气分压，所述水蒸气分压与所述风洞的工作压强相匹配，以控制所述水蒸气最终形成纳米颗粒的尺寸和数量。

可选地，针对所述内转式进气道及隔离段的内流道，至少隔离段采用透明材质制成，以便拍摄或照射激光。

可选地，所述隔离段采用透明材质制成；

从所述隔离段的侧面照射以获取所述流场的横截面的示踪粒子散射图像；

和/或，沿所述隔离段的轴线方向，向所述隔离段内照射激光，以获取所述流场的纵截面的示踪粒子散射图像。

可选地，激光从所述隔离段的侧面照射时，还在所述隔离段出口的下游位置设置反射镜，以从所述下游位置的侧面拍摄所述反射镜中反射的示踪粒子的散射图像；

和/或，在所述隔离段的下游位置设置反射镜，从所述下游位置的侧面照射激光，所述反射镜将激光沿所述隔离段的轴向反射入所述隔离段内，从所述隔离段的侧面拍摄所述隔离段内部示踪粒子的散射图像。

可选地，所述内转式进气道及隔离段采用金属材料制成，针对其内流道，至少将隔离段形成多个截面模型，获得各所述截面位置的示踪粒子散射图像，以获得所述流场的层析图像。

本发明提供的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统，包括：

风洞；

水蒸气装置，存储有水蒸气，并能够输送水蒸气至风洞内以凝结形成纳米颗粒，纳米颗粒能够作为示踪粒子进入内转式进气道及隔离段形成的流场中；

激光设备，用于照射所述流场至少一个方向上的多个截面位置；

拍摄设备，用于拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像，以获得所述流场的层析图像。

可选地，所述风洞为激波风洞。

可选地，针对所述内转式进气道及隔离段的内流道，至少隔离段采用透明材质制成，以便拍摄或照射激光。

可选地，还包括反射镜，所述反射镜置于所述隔离段出口的下游位置；

所述拍摄设备位于所述隔离段的侧面，所述激光设备位于所述下游位置的侧面，所述反射镜反射激光至所述隔离段内部，所述拍摄设备从所述隔离段的侧面拍摄所述隔离段内部示踪粒子的散射图像；和/或，

所述激光设备位于所述隔离段的侧面，所述拍摄设备位于所述隔离段下游位置的侧面，所述拍摄设备拍摄所述反射镜内反射的示踪粒子的散射图像。

可选地，所述内转式进气道及隔离段采用金属材料制成，所述内转式进气道包括内流道，所述内流道至少包括隔离段；所述流场层析显示系统包括多个露出所述内流道不同截面的截面模型，所述拍摄设备拍摄各所述截面模型截面位置的示踪粒子散射图像，以获得所述流场的层析图像。

当对内转式进气道及隔离段的内部流场进行分析时，拟采用传统的纹影方法观察流场，但基于复杂的型面，该方法受到光程积分效应的影响，难以准确反映流场。本发明采用水蒸气凝结而成的纳米颗粒作为示踪粒子，分析其散射图像，从而间接获得流场密度分布情况，能够较好地实现流场观测，解决传统纹影方法无法准确反映的问题。流场信息的获得，有助于理解与此相关的系统性能，为相关的理论研究提供依据，比如，有利于内转式进气道设计的进一步优化。

另外，水蒸气形成的示踪粒子，相对于其他固体类型的示踪粒子而言，一方面水蒸气形成的纳米粒子不易团聚，能够满足粒子尺寸和数量的要求，从而便于始终分散地被捕捉在散射图像上，反映流场密度；另一方面，本方案是水蒸气预先加入激波风洞中，利用激波风洞中的实验气体在风洞中形成的纳米颗粒作为示踪粒子，可减少纳米颗粒的注入步骤，简化实验操作，降低实验成本，尤为重要的是，采用该方式可不受风洞实验时间的限制，尤其采用激波风洞时，风洞时间极短。并且，稍加改进添加水蒸气的方式即可用于其它类型的脉冲型高超声速风洞。

附图说明

图1为本发明所提供高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统一种具体实施例的结构示意图，该图示出激光照射内转式进气道的外压缩面；

图2为激光照射图1中隔离段内，并拍摄隔离段内纵截面的结构示意图；

图3为激光照射图1中隔离段内，并拍摄隔离段内横截面的结构示意图；

图4为激光照射图1中隔离段出口位置，并拍摄隔离段出口位置横截面的结构示意图。

图1-4中附图标记说明如下：

1储水罐、2被驱动段、3喷管、4阀门；

5激光器、6激光、7柱面凹透镜、8透镜组、9平面线偏振激光、10拍摄设备、11内转式进气道外压缩面、11a入口、12内转式进气道内压缩段、13隔离段、14反射镜

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，针对目前内转式进气道设计优化难以有所突破的局面，本方案特从内转式进气道微观层面出发，研究内部流场分布的情况，以便为高超声速内转式进气道及隔离段的设计优化提供理论依据。

请参考图1，图1为本发明所提供高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统一种具体实施例的结构示意图，该图示出激光照射内转式进气道的外压缩面。

如图1所示，该流场层析显示系统，主要针对高超声速内转式进气道及隔离段进行，该结构通常为整体式结构，从功能上划分为内转式进气道和隔离段13两部分，业内习惯称之为内转式进气道及隔离段。同样，可以将内转式进气道划分为内转式进气道外压缩面11和内转式进气道内压缩段12，内转式进气道外压缩面11具有入口11a，气体从入口11a进入内转式进气道内，并进入位于内转式进气道喉道后的隔离段13内，然后进入发动机的燃烧室，隔离段13的作用主要是隔离进气道与燃烧室。内转式进气道内压缩段12、隔离段13以及后面的燃烧室一般称为内流道。内转式进气道的型面较为特殊，正如背景技术所述，型面结构通常复杂多样，而图1中内转式进气道及隔离段13仅为一种具体结构的示例说明。

本实施例中，流场层析显示系统包括激波风洞，如图1所示，图中显示出激波风洞的被驱动段2以及位于被驱动段2下游的喷管3，用于加速实验气体，实验气体例如可以为干燥空气或氮气。另外，该系统还配设有水蒸气装置，即图中所示的储水罐1，储水罐1中存储有水蒸气，显然，储水罐1仅是水蒸气装置的一种具体结构，水蒸气可以通过其他方式提供，例如水蒸气管道。当然，对于实验场所，设置储水罐1存储水蒸气以供使用为较为便利的方案。

储水罐1与激波风洞的被驱动段2之间设置有阀门4，以便于控制水蒸气进入激波风洞的被驱动段2内的水蒸气量。当混入水蒸气的实验气体经喷管3喷出后，可以凝结形成纳米颗粒，继而成为本方案实验中所需的示踪粒子。本方案中，为了使水蒸气能够形成所需的纳米粒子，对水蒸气分压、温度进行控制。

具体的形成步骤如下：

在实验开始前，通过真空泵将激波风洞的被驱动段2抽至1kPa；

打开被驱动段2和储水罐1之间的阀门4，使水蒸气进入激波风洞的被驱动段2内，直至水蒸气分压也达到1kPa；

关闭阀门4；

向激波风洞被驱动段2充入实验气体(如上所述的干燥空气或氮气)，使激波风洞被驱动段2的压强达到50kPa；

在实验开始后，混入水蒸气的实验气体流经激波风洞的喷管3，被激波风洞的喷管3加速至名义马赫数5.9，实验气体的温度和压强剧烈下降，其中的水蒸气就会凝结产生纳米颗粒，在激波风洞的喷管3出口，这些纳米颗粒就可以作为所需的示踪粒子进入内转式进气道及隔离段的实验流场中。

该方案中，将水蒸气凝结形成的纳米颗粒作为示踪粒子，对于高超声速内转式进气道及隔离段的流场，示踪粒子的尺寸和数量需要受到严格的限制，尺寸需要足够的小，数量又需要足够，以便能够在后续的激光平面拍摄中形成能够被观测并能够反映密度的图像，这在目前的现有技术中均难以实现。本方案中，通过真空泵抽吸激波风洞的被驱动段2，以将水蒸气引入，并同时采取控制其进入后的水蒸气分压，一方面是控制其含量，更重要的是与激波风洞的工作压强相匹配，以使水蒸气在激波风洞工作的压强下最终能够形成所需规格的纳米颗粒。

图1中，层析显示系统还包括激光设备和拍摄设备10，激光设备如图所示，包括激光器5(采用激波风洞时，由于时间很短，激光器5可以采用连续激光器，以观测到动态、连续的过程)、柱面凹透镜7和透镜组8，透镜组8由偏振片和二分之一波片组成，柱面凹透镜也可以采用其他的透镜，例如半柱面透镜、鲍威尔棱镜，激光器5发射的激光6经柱面凹透镜7和透镜组8后可以形成所需的平面线偏振激光9。激光器5、柱面凹透镜7、透镜组8沿朝向内转式进气道入口11a的方向，依次设置，图1中即由上向下依序设置。

激光器5发出的激光6经过柱面凹透镜7，发散成一束平面激光，再经过偏振片和二分之一波片构成的透镜组8，被调整成偏振方向沿图中所示x方向(隔离段13延伸方向)的平面线偏振激光9(以下简称为平面激光)，从上部沿y负方向竖直照射下来。

为了适应高超声速的实验要求，拍摄设备10可采用高速摄影机，并从侧面z方向水平拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像。流场密度越高，示踪粒子浓度越大，散射光相应较强，拍摄到的图像也就较为明亮。图1中显示的是拍摄内转式进气道外压缩面11位置，此处处于外压缩面激波的波后流场，密度相对高，示踪粒子浓度大，拍摄到的图像较为明亮。即根据该方式可以获得示踪粒子的散射图像，散射图像可以体现流场密度分布反映流场信息。

当对内转式进气道及隔离段的内部流场进行分析时，拟采用传统的纹影方法观察流场，但基于复杂的型面，该方法受到光程积分效应的影响，难以准确反映流场。这里采用水蒸气凝结而成的纳米颗粒作为示踪粒子，分析其散射图像，从而间接获得流场密度分布情况，能够较好地实现流场观测，解决传统纹影方法无法准确反映的问题。流场信息的获得，有助于理解与此相关的系统性能，为相关的理论研究提供依据，比如，有利于内转式进气道设计的进一步优化。

另外，水蒸气形成的示踪粒子，相对于其他固体类型的示踪粒子而言，一方面水蒸气形成的纳米粒子不易团聚，能够满足粒子数量和尺寸的要求，从而便于始终分散地被捕捉在散射图像上，反映流场密度；另一方面，本方案是水蒸气预先加入激波风洞中，利用激波风洞中的实验气体在喷管3中形成作为示踪粒子的纳米颗粒，可减少纳米颗粒的注入步骤，简化实验操作，降低实验成本，尤为重要的是，采用该方式可不受激波风洞实验时间短(一般在十毫秒量级)的限制。并且，稍加改进添加水蒸气的方式即可用于其它类型的脉冲型高超声速风洞(例如膨胀管)，即根据不同类型的风洞，改变水蒸气的压力，以便在风洞中形成所需尺寸大小以及数量的纳米颗粒。

为了观测到内转式进气道及隔离段整体的流场分布情况，除了对内转式进气道外压缩面11的示踪粒子散射图像进行观测，还对隔离段13进行观测。

请继续参考图2，图2为激光照射图1中隔离段13内，并拍摄隔离段13内纵截面的结构示意图。

为了获得隔离段13内的流场分布情况，隔离段13可以采用透明材料制作。在内转式进气道及隔离段的出口下游设置一反射镜14。

如图2所示，激光设备设于隔离段13下游的侧面，发出的平面激光经平面反射镜14反射后，射入隔离段13内部，反射镜14可以相对于隔离段13轴线偏转45度设置，激光平面垂直于轴线，则可以将激光平面沿隔离段13轴线方向反射至隔离段13内。拍摄设备10设于隔离段13的侧面，从侧面拍摄隔离段13内部，则可获得隔离段13纵截面内的示踪粒子散射图像。

再请参阅图3，图3为激光照射图1中隔离段13内，并拍摄隔离段13内横截面的结构示意图。

图3中，隔离段13同样采用透明材料制作，在内转式进气道及隔离段的出口下游也设置一反射镜14，激光设备设于隔离段13的侧面。与图2不同的是，图3方案中，激光设备直接将从隔离段13的侧面将激光发射至隔离段13内，反射镜14反射隔离段13内的横截面，反射镜14也沿隔离段13轴线偏转45度设置，拍摄设备10位于隔离段13出口下游的侧面，与反射镜14位置相对应，可拍摄反射镜14反射的图像，从而获得隔离段13内横截面的示踪粒子散射图像。

可见，本方案通过调换拍摄设备10和激光设备的位置，实现对隔离段13内横截面、纵截面的观测，从而获得更为全面的隔离段13内部流场信息。另外，如图2所示，激光设备可以位于出口下游，正对隔离段13发射激光；图3中，拍摄设备10可以位于出口下游，正对隔离段13进行拍摄。而本方案，借助反射镜14的设置，使得拍摄设备10和激光设备能够均位于隔离段13的侧面，这样可避免自隔离段13出口位置流出的高风速流体对拍摄设备10或激光设备造成损坏，而反射镜14即便遭受损坏，更换也较为简易且成本较低。

需要说明的是，图2、3中，拍摄设备10和激光设备处于内转式进气道及隔离段或其出口下游的侧面，此处的侧面指的是隔离段13的四周方向，不限于图中所示的隔离段13所处的水平面位置，也可以是隔离段13的上方或是下方，反射镜14也可以进行相应地调整。

上述无论是内转式进气道还是隔离段13，在进行拍摄时，为了获得层析图像，可以移动激光设备，从而获得多个截面位置的散射图像，最终获取流场不同位置的层析图像，经过计算处理可以形成内转式进气道及隔离段整体的三维流动信息。

具体地，图1、2中，在不同次实验中，可将激光设备沿Z方向平移；图3中，在不同次实验中，可将激光设备沿X方向平移。根据相对原理，显然移动内转式进气道及隔离段13也是可行的，针对实验环境，移动激光设备更能保证实验的可靠稳定性，也更简单易行。可知，为了获得层析图像，只要至少沿一个方向平移，获得该方向上若干截面的散射图像即可。

因此，图2、3中多个纵截面、横截面的散射图像分别获取，均可以获得隔离段13流场的三维信息，而纵截面和横截面散射图像同时获取时，则可以更为全面地反映流场信息，使得三维信息的计算建立更为简单，且更为精确。实际上，纵截面和横截面体现的是两个特殊的相互垂直方向的截面选取，即在纵向、横向两个方向，均拍摄若干截面的散射图像。

应知，对于流场三维信息的建立而言，层析图像并不限定于横截面和/或纵截面，例如，相对隔离段13的轴线而言，可以倾斜照射激光，获得若干斜截面的散射图像，也可以获得三维信息建立所需的层析图像。显然，在获得层析图像时，也就不限于纵向和横向两种方向的截面选取，可以在其他多个方向上，选取对应的若干截面，并获取散射图像。在实验中，横向和纵向更容易设定和把控，故本方案选取横截面和纵截面。

本方案，将隔离段13采用透明材料制成，以便拍摄或是激光照射。可以理解，内转式进气道及隔离段整体结构，除了内转式进气道外压缩面11的入口11a位置之外，其余一般没有开口，如图中所示的内转式进气道内压缩段12，与隔离段13，即内流道的组成部分。当需要全面观测整个实验气体流向上的流场分布时，内转式进气道内压缩段12同样可以采用如上隔离段13的观测方式，即将内转式进气道内压缩段12采用透明材质制成，并可以采用反射镜14辅助。

此外，图1中，在进行内转式进气道外压缩面11的观测时，激光6从上向下照射，以便于照射朝上摆放的入口11a位置，从而照射至内转式进气道外压缩面11内部。为了避免遮挡，还可以将内转式进气道及隔离段整体绕实验气体流向X向旋转20度左右。可以理解，在进一步追求层析图像全面性的要求下，内转式进气道外压缩面11也可以多方向拍摄，则内转式进气道外压缩面11也可以采用透明材料制成。

相对于透明材质，通常呈不透明状的金属材料成型为管状结构更易于加工。针对不透明的内转式进气道及隔离段，需要进行更为全面的层析图像观测时，也可以不采用如上所述的透明观测方式。

请继续参考图4，图4为激光照射图1中隔离段13出口位置，并拍摄隔离段13出口位置横截面的结构示意图。

与图2、3拍摄隔离段13内部流场截面类似，图4中，也在隔离段13出口下游设置反射镜14，激光设备从侧面照射出口位置，拍摄设备10拍摄反射镜14中反射的出口位置横截面，从而获得横截面的示踪粒子散射图像。

由于从侧面无法拍摄或激光照射隔离段13内部，则可以按照图4的方式，只拍摄隔离段13出口位置横截面的示踪粒子散射图像。由于只能拍摄出口位置的横截面散射图像，为了获取层析图像，可以配备多个露出内流道不同截面的截面模型。

内流道包括隔离段13和内转式进气道内压缩段12，仍以隔离段13的观测为例，可以配备多段不同长度的隔离段13，即隔离段13的多个截面模型，除了最长的隔离段13，其余隔离段13的出口位置横截面(露出的截面)均相当于最长隔离段13的某一横截面，则拍摄的多个隔离段13出口位置横截面也就能够反映最长隔离段13的层析散射图像。该方式也是基于内转式进气道及隔离段在高超声速下，上游流场不受下游流场影响的特性。

同样，内转式进气道外压缩面11和内转式进气道内压缩段12，在不采用透明材料制成时，均可以采用如上所述的切面方式进行实验，相应地配备多组切面模型即可。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

向风洞输入水蒸气，水蒸气在风洞中凝结形成纳米颗粒；

纳米颗粒作为示踪粒子，进入内转式进气道及隔离段形成的流场中；

在所述流场至少一个方向上的多个截面位置，采用激光照射，拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像，以获得所述流场的层析图像。

2.如权利要求1所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，所述风洞为激波风洞。

3.如权利要求1所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，将所述风洞抽真空以使水蒸气输入所述风洞内，并控制所述水蒸气进入所述风洞后的水蒸气分压，所述水蒸气分压与所述风洞的工作压强相匹配，以控制所述水蒸气最终形成纳米颗粒的尺寸和数量。

4.如权利要求1-3任一项所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，针对所述内转式进气道及隔离段的内流道，至少隔离段(13)采用透明材质制成，以便拍摄或照射激光；

从所述隔离段(13)的侧面照射以获取所述流场的横截面的示踪粒子散射图像；

和/或，沿所述隔离段(13)的轴线方向，向所述隔离段(13)内照射激光，以获取所述流场的纵截面的示踪粒子散射图像。

5.如权利要求4所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，激光从所述隔离段(13)的侧面照射时，还在所述隔离段(13)出口的下游位置设置反射镜(14)，以从所述下游位置的侧面拍摄所述反射镜(14)中反射的示踪粒子的散射图像；

和/或，在所述隔离段(13)的下游位置设置反射镜(14)，从所述下游位置的侧面照射激光，所述反射镜(14)将激光沿所述隔离段(13)的轴向反射入所述隔离段(13)内，从所述隔离段(13)的侧面拍摄所述隔离段(13)内部示踪粒子的散射图像。

6.如权利要求1-3任一项所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示方法，其特征在于，所述内转式进气道及隔离段采用金属材料制成，针对其内流道，至少将隔离段(13)形成多个截面模型，获得各所述截面位置的示踪粒子散射图像，以获得所述流场的层析图像。

7.高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统，其特征在于，包括：

风洞；

水蒸气装置，存储有水蒸气，并能够输送水蒸气至风洞内以凝结形成纳米颗粒，纳米颗粒能够作为示踪粒子进入内转式进气道及隔离段形成的流场中；

激光设备，用于照射所述流场至少一个方向上的多个截面位置；

拍摄设备(10)，用于拍摄激光照射平面内示踪粒子的散射图像，以获得所述流场的层析图像。

8.如权利要求7所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统，其特征在于，所述风洞为激波风洞。

9.如权利要求7所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统，其特征在于，针对所述内转式进气道及隔离段的内流道，至少隔离段(13)采用透明材质制成，以便拍摄或照射激光；

还包括反射镜(14)，所述反射镜(14)置于所述隔离段(13)出口的下游位置；

所述拍摄设备(10)位于所述隔离段(13)的侧面，所述激光设备位于所述下游位置的侧面，所述反射镜(14)反射激光至所述隔离段(13)内部，所述拍摄设备(10)从所述隔离段(13)的侧面拍摄所述隔离段(13)内部示踪粒子的散射图像；和/或，

所述激光设备位于所述隔离段(13)的侧面，所述拍摄设备(10)位于所述隔离段(13)下游位置的侧面，所述拍摄设备(10)拍摄所述反射镜(14)内反射的示踪粒子的散射图像。

10.如权利要求7-9任一项所述的高超声速内转式进气道及隔离段流场层析显示系统，其特征在于，所述内转式进气道及隔离段采用金属材料制成，所述内转式进气道包括内流道，所述内流道至少包括隔离段(13)；所述流场层析显示系统包括多个露出所述内流道不同截面的截面模型，所述拍摄设备(10)拍摄各所述截面模型截面位置的示踪粒子散射图像，以获得所述流场的层析图像。