CN108279115B - 基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及方法，该装置包括脉冲触发器、脉冲功率电源、储能电容、限流电阻、针形放电电极、脉冲序列控制器、ICCD相机及其控制器等组成。该技术通过非接触光学方法，揭示高超稀薄流场的精细结构及其连续时间演化过程。利用针‑针电极进行脉冲放电，一方面，线状发光流注显示流场的局部剖面或流线，提高流场诊断的空间分辨率；另一方面，在微纳秒尺度上获取流场瞬时结构，根据不同脉冲时间下获取的瞬时图像，揭示流场的时间演化过程，获得极高的流场诊断时间分辨率。

Description

基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非接触流场诊断技术，具体涉及一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及方法，其应用于获取高超稀薄流场的精细结构及其连续时间演化过程。

背景技术

高超声速飞行器需要在临近空间，尤其在40~100km的高度的稀薄空气中，做出变轨、再入、分离等机动动作。各航空航天打过均把高超声速稀薄流动、临近空间飞行复杂绕流现象等作为高超声速飞行器研制所需解决的核心基础科学问题。

如何准确可靠地研究解决高超声速飞行器在稀薄流域的复杂气动问题，尤其是流场的精细结构及其连续时间演化过程，一直是流体力学领域面临的挑战。进行地面风洞试验模拟的有效手段之一是非接触光学流场显示技术，其可以不干扰流场而实现流场结构（甚至瞬时脉动）的显示。在高超稀薄流场中，常用的光学阴影、纹影、干涉等方法因流场平均密度和变化量太小而存在灵敏度极限；通过添加微/纳米示踪粒子的PIV/NPLS方法，或荧光示踪粒子的激光诱导荧光法等，则因粒子跟随性和分布均匀性等也不再适用。

目前显示高超稀薄流场的办法是适当的在流场中施加额外能量，主要有电子束荧光法和辉光放电法。两者分别通过电子束或电场激发流场中的气体分子，使其产生辐射发光，且发光强度与气体密度相关，进而可用于显示流场中的密度变化。然而，这两种方法获得的流场均为整个流场发光路径上的时间和空间积分结果，无法获得流场局部精细结构的连续时间演化过程。

发明内容

针对上述问题，本发明提出基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及方法，通过非接触光学方法，揭示高超稀薄流场的精细结构及其连续时间演化过程。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置，包括：

位于风洞试验段内的相对设置的针形放电电极，其位于风洞喷管和试验模型之间；

位于风洞试验段外的脉冲放电产生装置，其包括：

脉冲序列控制器；

与脉冲序列控制器连接的脉冲触发器和脉冲功率电源；所述脉冲功率电源分别连接至相对设置的针形放电电极上；

限流电阻，其串联连接在脉冲功率电源与针形放电电极之间；

储能电容，其与所述针形放电电极并联连接；

位于风洞试验段外的ICCD相机，其与脉冲序列控制器连接，且所述ICCD相机的镜头朝向与试验模型垂直；所述ICCD相机连接ICCD控制器。

优选的是，所述相对设置的针形放电电极位于风洞喷管的前侧外沿。

优选的是，所述相对设置的针形放电电极可活动设置在风洞试验段内且位于风洞喷管和试验模型之间。

优选的是，所述风洞试验段上设置有光学窗口，所述ICCD相机的镜头朝向光学窗口且与试验模型垂直。

本发明还提供一种采用上述的诊断装置进行高超稀薄流场时空演化诊断的方法，包括以下过程：高压气体从风洞喷管进入风洞试验段内形成稳定的高超稀薄流场，通过脉冲放电产生装置在相对设置的针形电极上施加脉冲电压，激发流场中的气体生成稳定均匀的发光等离子体流注，持续进行脉冲放电，使得流场中产生一系列放电发光条纹，通过ICCD相机非接触光学拍照方法，根据不同放电周期内拍摄的流场瞬时图像，观察流场结构的时间演化过程，实现流场结构的时空演化诊断。

优选的是，通过放电发光条纹的喷率及间隔推算流动速度。

优选的是，通过放电发光条纹的形变和亮度变化获得流场局部的速度分布。

优选的是，通过脉冲触发器触发脉冲功率电源和ICCD相机，以保证放电与ICCD相机处于时间上的同步状态。

优选的是，通过改变ICCD相机拍摄时间的延迟，捕捉不同放电时刻的放电图像。

本发明至少包括以下有益效果：

通过激发流场局部线状发光放电以获得高空间分辨率，不同于传统方法获得光学路径上的积分结果，本发明通过针-针电极放电激发线状发光流注，观察流场局部的横截面或流线分布，因此可研究流场精细结构的空间分布；通过微秒时间尺度的脉冲放电，并在纳秒时间尺度上获取流场瞬时图像，可以获得高超稀薄流场中的分离、转捩甚至湍流等流动现象的连续时间演化特征。

本发明具有高时间-空间带宽积特点，在探索高超稀薄复杂流动理论与技术融合方面有较好潜力，主要体现在：

（1）科学研究方面，通过该技术所获得的流场“实时”结构使得我们在不同时空分辨率上研究稀薄复杂流场演化成为可能，可用于验证N-S方程、DSMC方法等理论模型的正确性，对高超稀薄流动的绕流、分离、转捩甚至湍流现象和机理等的核心基础科学问题，提供实验观察手段。

（2）应用研究方面，提供稀薄流场精确诊断分析平台，准确揭示稀薄状态下复杂高超声速飞行器面临的空气动力学现象和规律，为高超稀薄流场的研究与开发提供可靠数据和研究模型，满足下一代空天飞行器性能和作战效能对气动研究的要求，为新型空天飞行器的发展提供技术支撑。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置的整体结构示意图；

图2为本发明基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置的侧视图；

图3为脉冲放电图像同步时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供了一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置及使用技术。该技术通过非接触光学方法，揭示高超稀薄流场的精细结构及其连续时间演化过程。利用针-针电极进行脉冲放电，一方面，线状发光流注显示流场的局部剖面或流线，提高流场诊断的空间分辨率；另一方面，在微纳秒尺度上获取流场瞬时结构，根据不同脉冲时间下获取的瞬时图像，揭示流场的时间演化过程，获得极高的流场诊断时间分辨率。

图1~2示出了一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置，包括：

位于风洞试验段3内的相对设置的针形放电电极（9，10），其位于风洞喷管1和试验模型4之间；

位于风洞试验段3外的脉冲放电产生装置，其包括：

脉冲序列控制器12；

与脉冲序列控制器12连接的脉冲触发器5和脉冲功率电源6；所述脉冲功率电源6分别连接至相对设置的针形放电电极（9，10）上；

限流电阻8，其串联连接在脉冲功率电源6与针形放电电极9之间；

储能电容7，其与所述针形放电电极（9，10）并联连接；

位于风洞试验段外的ICCD相机11，其与脉冲序列控制器12连接，且所述ICCD相机11的镜头朝向与试验模型4垂直；所述ICCD相机11连接ICCD控制器13；所述ICCD相机包括镜头11a、像增强器11b和CCD 11c。

在这种技术方案中，风洞试验段3包括风洞喷管1、试验模型4和风洞扩压器2；高压气体从风洞喷管1进入并由风洞扩压器2排出，在风洞试验段3内形成稳定的高超稀薄流场，试验模型4置于流场的核心区内，流场马赫数为10~20，静压<80 Pa；

本发明中的脉冲放电电流脉宽为微秒量级，电极间放电光强较弱，且拍摄的单张照片为纳秒量级，使获得的照片亮度更弱，因此本发明采用ICCD相机11，其能够将光信号增强（增益可达2000倍），且拥有超快的曝光时间（最短3 ns）。

通过脉冲放电产生装置在两个针形放电电极（9，10）之间施加脉冲电压，激发流场中的气体生成稳定均匀的发光等离子体流注；持续进行脉冲放电，放电时间间隔（≈2.5s）短于等离子体寿命（≈7s），使得气流中产生一系列发光流注，如G1~G4所示意；利用ICCD相机11拍摄发光条纹随流动位移的瞬时（≈3 ns）图像，得到流场示踪曲线；根据条纹的频率及间隔推算流动速度（即飞行时间法），根据条纹的形变和亮度变化获得流场局部的速度分布，解析流动中的绕流、分离、转捩甚至湍流现象；根据不同放电周期内拍摄的流场瞬时图像，观察流场结构的时间演化过程。

在上述技术方案中，所述相对设置的针形放电电极（9,10）位于风洞喷管1的前侧外沿，可以激发流场中的气体生成稳定均匀的发光等离子体流注。

在上述技术方案中，所述相对设置的针形放电电极可活动设置在风洞试验段内且位于风洞喷管和试验模型之间，采用这种方式，可任意改变两个针形电极的位置，以实现观察不同位置的流场结构。

在上述技术方案中，所述风洞试验段上设置有光学窗口14，所述ICCD相机11的镜头11a朝向光学窗口14且与试验模型4垂直，采用这种方式，可以实现非接触光学拍照，以清楚揭示高超稀薄流场的精细结构及其连续时间演化过程。

一种采用上述的诊断装置进行高超稀薄流场时空演化诊断的方法，包括以下过程：高压气体从风洞喷管进入并由风洞扩压器排出，在风洞试验段3内形成稳定的高超稀薄流场，通过脉冲控制单元在相对设置的针形电极上施加脉冲电压，激发流场中的气体生成稳定均匀的发光等离子体流注，持续进行脉冲放电，使得流场中产生一系列放电发光条纹，通过ICCD相机非接触光学拍照方法，根据不同放电周期内拍摄的流场瞬时图像，观察流场结构的时间演化过程，实现流场结构的时空演化诊断。

在上述技术方案中，通过放电发光条纹的喷率及间隔推算流动速度，即飞行时间法。

在上述技术方案中，通过放电发光条纹的形变和亮度变化获得流场局部的速度分布。

在上述技术方案中，通过脉冲触发器触发脉冲功率电源和ICCD相机，以保证放电与ICCD相机处于时间上的同步状态。

在上述技术方案中，通过改变ICCD相机拍摄时间的延迟，捕捉不同放电时刻的放电图像。

图3为本发明使用的脉冲放电图像同步时序。为捕捉高超流场中脉冲发光等离子体的演化过程，通过脉冲发生器5触发脉冲功率电源6和ICCD相机11，以保证放电与ICCD相机处于时间上的同步状态，并通过改变相机拍摄时间的延迟来捕捉不同放电时刻的放电图像。此外，可以对不同空间位置的放电时间演化行为进行观测，获取放电的高时间分辨发展过程的信息。t1和t2分别为脉冲发生器开启和关闭时间，t3为脉冲功率电源响应延迟，t4为ICCD的相增强器选通时间，t5为CCD曝光时间。t1取决于产生稳定放电的最短时间；t2取决于两次放电之间等离子体湮灭的最短时间；t4是ICCD的像增强器开启持续时间，等于脉冲开启时间t1+电源响应延迟t3；t5由ICCD相机的参数确定；P1为脉冲发生器脉冲序列，P2为脉冲功率电源相应曲线，P3为ICCD相增强器选通序列，P4为CCD曝光时间序列。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置，其特征在于，包括：

位于风洞试验段内的相对设置的针形放电电极，其位于风洞喷管和试验模型之间；

位于风洞试验段外的脉冲放电产生装置，其包括：

脉冲序列控制器；

与脉冲序列控制器连接的脉冲触发器和脉冲功率电源；所述脉冲功率电源分别连接至相对设置的针形放电电极上；

限流电阻，其串联连接在脉冲功率电源与针形放电电极之间；

储能电容，其与所述针形放电电极并联连接；

位于风洞试验段外的ICCD相机，其与脉冲序列控制器连接，且所述ICCD相机的镜头朝向与试验模型垂直；所述ICCD相机连接ICCD控制器；

所述相对设置的针形放电电极位于风洞喷管的前侧外沿；

所述相对设置的针形放电电极活动设置在风洞试验段内且位于风洞喷管和试验模型之间。

2.如权利要求1所述的基于脉冲放电的高超稀薄流场时空演化诊断装置，其特征在于，所述风洞试验段上设置有光学窗口，所述ICCD相机的镜头朝向光学窗口且与试验模型垂直。

3.一种采用如权利要求1~2任一项所述的诊断装置进行高超稀薄流场时空演化诊断的方法，其特征在于，包括以下过程：高压气体从风洞喷管进入风洞试验段内形成稳定的高超稀薄流场，通过脉冲放电产生装置在相对设置的针形电极上施加脉冲电压，激发流场中的气体生成稳定均匀的发光等离子体流注，持续进行脉冲放电，使得流场中产生一系列放电发光条纹，通过ICCD相机非接触光学拍照方法，根据不同放电周期内拍摄的流场瞬时图像，观察流场结构的时间演化过程，实现流场结构的时空演化诊断。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过放电发光条纹的喷率及间隔推算流动速度。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过放电发光条纹的形变和亮度变化获得流场局部的速度分布。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过脉冲触发器触发脉冲功率电源和ICCD相机，以保证放电与ICCD相机处于时间上的同步状态。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变ICCD相机拍摄时间的延迟，捕捉不同放电时刻的放电图像。