CN108168835B - 一种风洞双光程纹影流场显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞试验装置技术领域，具体涉及一种风洞双光程纹影流场显示装置，包括光纤耦合LED彩色光源、聚光镜组、分光镜、平面反射镜、光学窗口、风洞试验模型、球面反射镜、风洞试验段、刀口、成像物镜和照相机；风洞试验段是一个真空密封舱，试验模型和球面反射镜依次置于风洞试验段内。本发明风洞双光程纹影流场显示装置结构简单、成本低、流场显示效果好、操作方便。解决了近连续流到稀薄过渡流(对应流场静压为100Pa‑20Pa左右、对应试验马赫数为M8‑M12左右)常规纹影与辉光放电装置不能解决的流场显示问题。解决了40多年时间内一直没有很好解决的问题，即双光程纹影流场显示装置容易产生流场图像重影问题。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验装置技术领域，具体涉及一种风洞双光程纹影流场显示装置。
背景技术
在地面试验中，尽管流场诊断技术发展很快，但至今还没有任何一种技术能满足从海平面到100km模拟高度变化时高超声速流场定性显示与定量测量的需要。对高超声速流场，当模拟高度从海平面升高到40多km时，这时流场密度及流场静压相对较大(大于100Pa)，一般采用常规纹影(光束只通过试验流场一次，有时也称为单光程纹影)显示技术，可以获得满意的流场图像。当模拟高度从50多km升高到100多km时，这时流场密度及流场静压相对较小(小于20Pa左右)，可通过电子束、激光诱导荧光、激光雷利散射和喇曼散射，对流场进行定性显示，对试验流场气体的数密度、温度等进行定量测量，但系统复杂，成本高。基于分子激发的风洞流场显示，也被称作辉光放电流场显示，可用于模拟高度从50多km到100km时流场的定性显示。
但在模拟高度40多km到50多km这段区间(对应流场静压为100Pa-20Pa左右、对应试验马赫数为M8-M12左右)，当采用常规纹影系统时，流场压力偏低；当采用辉光放电装置时，流场压力又偏高。同时，在高超声速流场条件下，为了提高单光程纹影显示的灵敏度，刀口切割量很小，又会导致单光程纹影流场图像衍射效果明显，纹影背景斑点增大。
发明内容
本发明目的是提供一种在模拟高度40多km到50多km这段区间时的流场定性显示装置。
为达到上述目的，本发明提供一种风洞双光程纹影流场显示装置，包括光纤耦合LED彩色光源、聚光镜组、分光镜、平面反射镜、光学窗口、风洞试验模型、球面反射镜、风洞试验段、刀口、成像物镜和照相机；
风洞试验段是一个真空密封舱，试验模型和球面反射镜依次置于风洞试验段内；
其中，光纤耦合LED彩色光源、聚光镜组、分光镜和平面反射镜依次按顺序摆放，平面反射镜、光学窗口、风洞试验模型、球面反射镜依次按顺序摆放，分光镜、刀口、成像物镜和照相机依次按顺序摆放；
光纤耦合LED彩色光源产生红色、绿色、黄色与蓝色四种颜色的彩色光，彩色光透过聚光镜组；
聚光镜组所在的位置是将光纤耦合LED彩色光源输出的彩色光汇聚到球面反射镜的球心上，聚光镜组将彩色光透过分光镜；
分光镜将接收到的彩色光进行均匀分光，并将一半彩色光照射到平面反射镜；
平面反射镜将经过分光镜透射的彩色光，进行45°转向，投射到光学窗口上；
光学窗口透射彩色光，对风洞试验模型流场进行照明，并对风洞试验段进行密封；
彩色光对风洞试验模型流场进行照明后经过球面反射镜反射，再次通过风洞试验模型流场、光学窗口、平面反射镜，并经过分光镜反射汇聚到刀口上；
刀口位于球面反射镜的球心处，球面反射镜反射回来的彩色光，在刀口处形成彩色光源的四色图像；刀口呈口字形，由两组水平刀口和垂直刀口组成，水平刀口与垂直刀口不在同一平面内，水平刀口与垂直刀口分别切割彩色光源的四色图像，产生纹影流场图像；
成像物镜镜筒内壁发黑处理，成像物镜对风洞试验模型流场进行聚焦、放大、成清晰像；
照相机对成像物镜聚焦获得的流场图像进行记录。
进一步，光纤耦合LED彩色光源采用光纤耦合方式输出，发散角度为8°，光纤直径为0.8mm，光纤出口处功率为2W，功率抖动性小于5％。
进一步，试验模型高400mm，与成像物镜距离为16.5m；成像物镜焦距变焦范围为：75mm～300mm，相对孔径1:4～1:5.6，镜头通光直径：58mm，景深为±1m，其MTF值在40lp/mm时，其权重约为0.6。
进一步，光纤耦合LED彩色光源、聚光镜组、分光镜与刀口、成像物镜和照相机光轴系集成在相互垂直的导轨上。
本发明风洞双光程纹影流场显示装置结构简单、成本低、流场显示效果好、操作方便。解决了近连续流到稀薄过渡流(对应流场静压为100Pa-20Pa左右、对应试验马赫数为M8-M12左右)常规纹影与辉光放电装置不能解决的流场显示问题。解决了40多年时间内一直没有很好解决的问题，即双光程纹影流场显示装置容易产生流场图像重影问题。
附图说明
图1为本发明风洞双光程纹影流场显示装置的应用情况示意图。
图2为本发明刀口组成结构的水平刀口与垂直刀口示意图。
图3为本发明的多光学部件集成示意图。
图4为实施例2中，大钝头试验模型常规纹影流场图像。
图5为实施例2中，双光程纹影流场图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种风洞双光程纹影流场显示装置，所述装置包括光纤耦合LED彩色光源1、聚光镜组2、分光镜3、平面反射镜4、光学窗口5、风洞试验模型6、球面反射镜7、风洞试验段9、刀口10、成像物镜11和照相机12；
如图1所示，风洞试验段9是一个真空密封舱，试验模型6和球面反射镜7依次置于风洞试验段9内；
其中，光纤耦合LED彩色光源1、聚光镜组2、分光镜3和平面反射镜4依次按顺序摆放，平面反射镜4、光学窗口5、风洞试验模型6、球面反射镜7依次按顺序摆放，分光镜3、刀口10、成像物镜11和照相机12依次按顺序摆放；光纤耦合LED彩色光源1、聚光镜组2、分光镜3与刀口10、成像物镜11和照相机12光轴系集成在相互垂直的导轨上。
光纤耦合LED彩色光源1产生红色、绿色、黄色与蓝色四种颜色的彩色光，彩色光依次通过聚光镜组2、分光镜3、平面反射镜4、光学窗口5，对风洞试验模型6流场进行照明，获得彩色流场图像。过去，常常采用激光作为光源，但在高超声速流场显示时，为了提高流场显示灵敏度，刀口10切割光源像较大，即剩余光源像较小，加之激光相干性较好，在流场图像中容易产生许多衍射环，影响成像质量和效果。用光纤耦合LED彩色光源1替换激光光源，可以减少激光的衍射效应，同时克服因分光镜3分光导致光能的减弱。具体如下：
光纤耦合LED彩色光源1采用光纤耦合方式输出，发散角度为8°，光纤直径为0.8mm，光纤出口处功率为2W，功率抖动性小于5％。光纤耦合LED彩色光源1产生红色、绿色、黄色与蓝色四种颜色的彩色光，彩色光透过聚光镜组2；
聚光镜组2所在的位置是将光纤耦合LED彩色光源1输出的彩色光汇聚到球面反射镜7的球心上，聚光镜组2将彩色光投射到分光镜3；
分光镜3将接收到的彩色光进行均匀分光，并将一半彩色光照射到平面反射镜4；
平面反射镜4将经过分光镜3透射的彩色光，进行45°转向，投射到光学窗口5上；
光学窗口5透射彩色光，对风洞试验模型6流场进行照明，并对风洞试验段(9)进行密封；试验模型6高400mm，与成像物镜11距离为16.5m；
彩色光对风洞试验模型6流场进行照明后经过球面反射镜7反射，再次通过风洞试验模型6流场、光学窗口5、平面反射镜4，并经过分光镜3反射汇聚到刀口10上；
如图2所示，刀口10位于球面反射镜7的球心处，球面反射镜7反射回来的彩色光，在刀口10处形成彩色光源的四色图像；刀口10呈口字形，由两组可左右移动的水平刀口101和可上下移动的垂直刀口102组成，水平刀口与垂直刀口不在同一平面内，水平刀口与垂直刀口分别切割彩色光源的四色图像，产生纹影流场图像。过去，左右放置的两个水平刀口平面，和上下放置的两个垂直刀口平面，在同一个平面内。现在，左右放置的两个水平刀口平面，在一个平面内；上下放置的两个垂直刀口平面，在另外一个平面内。
成像物镜11镜筒内壁发黑处理，成像物镜11对风洞试验模型6流场进行聚焦、放大、成清晰像；成像物镜11焦距变焦范围为：75mm～300mm，相对孔径1:4～1:5.6，镜头通光直径：58mm，景深为±1m，其MTF值在40lp/mm时，其权重约为0.6。
照相机12对成像物镜11聚焦获得的流场图像进行记录。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明解决了近连续流到稀薄过渡流(对应流场静压为100Pa-20Pa左右、对应试验马赫数为M8-M12左右)常规纹影与辉光放电装置不能解决的流场显示问题。通过本发明研制的通光口径Φ900mm双光程纹影系统是目前国内同类仪器中口径最大的装置。本发明双光程纹影图能清晰地显示出激波层内不同气流密度区域，而常规纹影流场图很难获得这些流场细节，这些流场细节有助于边界层流场结构诊断，所获得的流场图像比国外试验结果更加清晰。
(2)本发明解决了40多年时间内，一直没有很好解决的问题，即双光程纹影流场显示装置容易产生流场图像重影问题，而一般教科书几乎没有涉及到这方面内容。由于入射光线与反射光线经过风洞试验模型流场区域后，在球面反射镜球心上各形成一个像，纹影图像容易产生重影。根据理论，当两束光不发生重叠时，只要调整光源或球面反射镜的前后距离到适当位置就可以发生重叠。国外采用的是在光路中增加补偿装置的方法，使焦距产生微小的变化实现光路的重叠。但经过多次调试，效果并不理想。本发明采用以下三种方法来消除纹影图重影：
a.优化照相物镜的设计。使球面反射镜形成的像远离照相成像平面，而让试验模型扰动区的像成像于照相平面，来减弱纹影成像的重影。同时，对成像物镜镜筒内壁发黑，使光源像从模型边界移动到模型上，并被模型背景掩盖。
b.优化光源的设计。光纤耦合LED彩色光源，共有输出红色、绿色、黄色、蓝色四种颜色的光纤，每根光纤发散角度8°，直径0.8mm，加上光纤塑料保护套，直径有2mm左右，而光纤夹具座的四根光纤之间，又有一定的间距，在系统调试中，导致流场图像重影比较严重。通过电火花加工光纤夹具座四个小孔，用厚0.2mm不锈钢套代替光纤塑料保护套，使四根光纤间距非常小，有效地消除了流场重影。
c.让球面反射镜尽量靠近试验流场。由于光束来回两次通过试验流场，假定偏折角很小，几乎没有偏离第一次通过的那一点，因此只有试验流场非常靠近球面反射镜前面的区域，才能满足这个条件。通过解决风洞电弧加热器电弧烧蚀产物对球面反射镜镜面污染问题、试验运行产生的振动对纹影成像干扰问题等，将球面反射镜放置在风洞试验段内、风洞试验模型流场之外。
(3)本发明将光纤耦合LED彩色光源、聚光镜、分光镜与刀口、成像物镜、照相机光轴系集成在相互垂直的导轨上，如图3，大大降低了光学系统调试难度，提高了成像质量。光纤耦合LED彩色光源、聚光镜、分光镜与刀口、成像物镜、照相机具有多个自由度，过去，这些部件没有集成，调试非常困难。
(4)本发明可以对试验模型不同部位进行流场显示。在风洞试验时，部分试验模型长度超过1m，如果要进行全模流场显示，就需要增大光学窗口和球面反射镜的直径，这一方面会增加工程预算，另一方面，由于风洞现场条件和光学部件加工限制等原因，不允许双光程纹影装置通光口径进一步加大。为此，通过以下方法对试验模型不同部位进行流场显示：
a.光学窗口具有沿风洞轴线平行移动的功能。光学窗口集成在一金属平板上，可以减少反复拆卸光学玻璃容易损坏的风险。该平板可以沿导轨方便灵活地左右移动，形成多个工作位置。当金属平板移动到所需位置时，通过金属平板上的顶紧螺钉顶紧。
b.球面反射镜具有沿风洞轴线平行移动的功能。在球面反射镜基座上设计一导轨，球面反射镜可以沿该导轨平行移动。为了让球面反射镜的光轴与光学窗口中心轴线重合，通过以风洞试验段为基准的标尺初步定位，再通过激光光源精细定位。同时，为了避免球面反射镜遮挡其它的光学窗口，当不使用时，通过球面反射镜支撑座移动装置将球面反射镜移到风洞试验段喷管一侧的拐角处。
实施例2
在马赫数Ma＝10、静压P∞＝47Pa试验条件下，大钝头试验模型常规纹影流场图像与双光程纹影流场图像比较结果如图4和图5所示，获得了比较理想的模型流场图像。图4的常规纹影图，背景噪声斑点A很大，不能显示出大钝头试验模型的激波C，并且在大钝头试验模型周围产生了比较严重的衍射条纹B。图5的双光程纹影图，能清晰地显示出激波层内不同气流密度区域D，而这些流场细节有助于边界层流场结构诊断，所获得的流场图像比国外试验结果更加清晰。
本发明双光程纹影光学系统构造简单，不干扰被测流场，对光线偏折敏感，所获得的图像形象直观，在空气动力学和热力学试验中获得了广泛的应用。
Claims (2)
1.一种风洞双光程纹影流场显示装置，其特征在于，所述装置包括光纤耦合LED彩色光源(1)、聚光镜组(2)、分光镜(3)、平面反射镜(4)、光学窗口(5)、风洞试验模型(6)、球面反射镜(7)、风洞试验段(9)、刀口(10)、成像物镜(11)和照相机(12)；
风洞试验段(9)是一个真空密封舱，试验模型(6)和球面反射镜(7)依次置于风洞试验段(9)内；
其中，光纤耦合LED彩色光源(1)、聚光镜组(2)、分光镜(3)和平面反射镜(4)依次按顺序摆放，平面反射镜(4)、光学窗口(5)、风洞试验模型(6)、球面反射镜(7)依次按顺序摆放，分光镜(3)、刀口(10)、成像物镜(11)和照相机(12)依次按顺序摆放；
光纤耦合LED彩色光源(1)产生红色、绿色、黄色与蓝色四种颜色的彩色光，彩色光透过聚光镜组(2)；
聚光镜组(2)所在的位置是将光纤耦合LED彩色光源(1)输出的彩色光汇聚到球面反射镜(7)的球心上，聚光镜组(2)将彩色光透过分光镜(3)；
分光镜(3)将接收到的彩色光进行均匀分光，并将一半彩色光照射到平面反射镜(4)；
平面反射镜(4)将经过分光镜(3)透射的彩色光，进行45°转向，投射到光学窗口(5)上；
光学窗口(5)透射彩色光，对风洞试验模型(6)流场进行照明，并对风洞试验段(9)进行密封；
彩色光对风洞试验模型(6)流场进行照明后经过球面反射镜(7)反射，再次通过风洞试验模型(6)流场、光学窗口(5)、平面反射镜(4)，并经过分光镜(3)反射汇聚到刀口(10)上；
刀口(10)位于球面反射镜(7)的球心处，球面反射镜(7)反射回来的彩色光，在刀口(10)处形成彩色光源的四色图像；刀口(10)呈口字形，由两组水平刀口和垂直刀口组成，水平刀口与垂直刀口不在同一平面内，水平刀口与垂直刀口分别切割彩色光源的四色图像，产生纹影流场图像；
成像物镜(11)镜筒内壁发黑处理，成像物镜(11)对风洞试验模型(6)流场进行聚焦、放大、成清晰像；
照相机(12)对成像物镜(11)聚焦获得的流场图像进行记录；
光纤耦合LED彩色光源(1)采用光纤耦合方式输出，发散角度为8°，光纤直径为0.8mm，光纤出口处功率为2W，功率抖动性小于5％；
光纤耦合LED彩色光源(1)、聚光镜组(2)、分光镜(3)与刀口(10)、成像物镜(11)和照相机(12)光轴系集成在相互垂直的导轨上。
2.根据权利要求1所述一种风洞双光程纹影流场显示装置，其特征在于，试验模型(6)高400mm，与成像物镜(11)距离为16.5m；成像物镜(11)焦距变焦范围为：75mm～300mm，相对孔径1:4～1:5.6，镜头通光直径：58mm，景深为±1m，其MTF值在40lp/mm时，其权重约为0.6。
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