CN108534979A - 立式湍流效应模拟装置 - Google Patents

Abstract

立式湍流效应模拟装置属于湍流技术领域；该湍流效应模拟装置包括开口向上的黑体，设置在黑体上方开口向下的罐体，黑体的开口与罐体的开口之间通过伸缩结构连接，伸缩结构内部设置有虹膜光圈结构；伸缩结构从内到外依次包括内层伸缩管，保温层和外层伸缩管，内层伸缩管包括设置在中间的非伸缩端和连接在非神缩端两端的伸缩管组成，在非神缩端上安装虹膜光圈结构；虹膜光圈结构包括环形圈，在环形圈上均匀分布的转轴，绕转轴旋转的弧形金属叶片，所述转轴和弧形金属叶片的数量相同，至少为六个；本发明湍流效应模拟装置，利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生湍流效应的气流，实现湍流效应直接模拟的目的。

Description

立式湍流效应模拟装置

本申请是发明专利申请《一种立式气动光学效应模拟装置》的分案申请。

原案申请日：2016-10-08。

原案申请号：2016108763645。

原案发明名称：一种立式气动光学效应模拟装置。

技术领域

立式湍流效应模拟装置属于湍流技术领域。

背景技术

飞行器在大气层中高速飞行时，由于其光学头罩与自由来流之间产生真实气体效应、激波诱导边界层分离、无粘流与边界层的相互干扰等，从而产生因气流密度变化、温度变化、组成成分变化及气体分子电离等引起的复杂流场，这对红外成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起目标偏移、抖动、模糊，这种效应称为湍流效应。

湍流效应给红外成像末制导带来不利影响，使导引头对目标的探测、跟踪与识别能力下降，进而影响末制导精度。由于流场密度变化，改变了在其中传播的光线的原来路径，产生偏折和相位变化，致使成像平面上造成图像的偏移，模糊，抖动以及能量损失。如果能够探索湍流退化机理，就能够校正湍流退化图像，减少像差，提高光学成像质量。可见，探索湍流退化机理是改善图像质量的关键步骤。

探索湍流退化机理，需要模拟湍流效应。目前，很多湍流效应模拟装置都是光学模拟装置，例如申请号为201410456264.8的发明专利《基于失真图像的气动光学效应模拟器》，以及算法模拟，例如申请号为201310193486.0的发明专利《一种模拟气动光学效应的方法和系统》，这些模拟装置或方法都没有直接生成产生湍流效应的气流，因此属于间接模拟，而不属于直接模拟，因此距离实际的湍流效应还有区别。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种湍流效应模拟装置，该模拟装置利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生湍流效应的气流，实现湍流效应直接模拟的目的。

本发明的目的是这样实现的：

立式湍流效应模拟装置，包括开口向上的黑体，设置在黑体上方开口向下的罐体，黑体的开口与罐体的开口之间通过伸缩结构连接，所述伸缩结构内部设置有虹膜光圈结构；

所述的黑体从内到外依次包括陶瓷层，中间层，冷却层和外壳；所述中间层中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层充水；

所述罐体顶部设置有开口，开口上设置有盖；

所述伸缩结构从内到外依次包括内层伸缩管，保温层和外层伸缩管，所述内层伸缩管包括设置在中间的非伸缩端和连接在非神缩端两端的伸缩管组成，在非神缩端上安装虹膜光圈结构；

所述虹膜光圈结构包括环形圈，在环形圈上均匀分布的转轴，绕转轴旋转的弧形金属叶片，所述转轴和弧形金属叶片的数量相同，至少为六个。

上述立式湍流效应模拟装置，还包括水箱和水泵，所述冷却层顶部和底部各有一个出口，水泵将水箱中的水泵入冷却层底部出口，水从冷却层顶部出口流回水箱。

上述立式湍流效应模拟装置，所述盖为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈。

上述立式湍流效应模拟装置，所述罐体为伸缩结构。

以上立式湍流效应模拟装置，还包括光学成像系统，所述光学成像系统包括光源，针孔，准直透镜，光栅，物镜和图像传感器；光源发出的光束，经过针孔形成点光源，再经过准直透镜准直后形成平行光束，照亮光栅，所述光栅与图像传感器分别设置在物镜的物方和像方；其中，光源，针孔，准直透镜和光栅设置在黑体内部，图像传感器设置在罐体内部，物镜设置在黑体内部或罐体内部。

所述光栅能够在其所在平面内旋转90度。

有益效果：

第一、由于采用黑体与罐体开口相对的方式设置，因此能够利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生湍流效应的气流，实现湍流效应直接模拟的目的；

第二、由于黑体的开口与罐体的开口之间通过伸缩结构连接，调节伸缩结构的长度，能够改变冷热气体的对流强烈，进而改变气体湍流参数，因此能够改变湍流效应模拟效果，进而增大本发明湍流效应模拟装置的模拟范围；

第三、由于设置有虹膜光圈结构，通过旋转弧形金属叶片，改变气流通孔大小，进而能够改变冷热气体的对流强烈，即改变气体湍流参数，因此能够改变湍流效应模拟效果，进而增大本发明湍流效应模拟装置的模拟范围。

附图说明

图1是本发明立式湍流效应模拟装置的结构示意图。

图2是黑体的结构示意图。

图3是伸缩结构的结构示意图。

图4是虹膜光圈结构的结构示意图。

图5是具体实施例二中黑体的结构示意图。

图6是盖的结构示意图。

图7是本发明立式湍流效应模拟装置中光学成像系统的结构示意图。

图中：1黑体、11陶瓷层、12中间层、13冷却层、14外壳、2罐体、3伸缩结构、31内层伸缩管、32保温层、33外层伸缩管、4虹膜光圈结构、41环形圈、42转轴、43弧形金属叶片、5盖、6水箱、7水泵、8光学成像系统、81光源、82针孔、83准直透镜、84光栅、85物镜、86图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的立式湍流效应模拟装置，结构示意图如图1所示。该立式湍流效应模拟装置包括开口向上的黑体1，设置在黑体1上方开口向下的罐体2，黑体1的开口与罐体2的开口之间通过伸缩结构3连接，所述伸缩结构3内部设置有虹膜光圈结构4；

所述的黑体1从内到外依次包括陶瓷层11，中间层12，冷却层13和外壳14；所述中间层12中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层13充水；黑体1的结构示意图如图2所示；

所述罐体2顶部设置有开口，开口上设置有盖5；

所述伸缩结构3从内到外依次包括内层伸缩管31，保温层32和外层伸缩管33，所述内层伸缩管31包括设置在中间的非伸缩端和连接在非神缩端两端的伸缩管组成，在非神缩端上安装虹膜光圈结构4；伸缩结构3的结构示意图如图3所示；

所述虹膜光圈结构4包括环形圈41，在环形圈41上均匀分布的转轴42，绕转轴42旋转的弧形金属叶片43，所述转轴42和弧形金属叶片43的数量相同，至少为六个；虹膜光圈结构4的结构示意图如图4所示。

具体实施例二

本实施例的立式湍流效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定还包括水箱6和水泵7，所述冷却层13顶部和底部各有一个出口，水泵7将水箱6中的水泵入冷却层13底部出口，水从冷却层13顶部出口流回水箱，如图5所示。

这种结构设计，利用水的慢导热性，既实现了对陶瓷层11和中间层12的保温，确保湍流效应模拟装置所模拟湍流效应的稳定性，又实现了对外壳14的冷却，确保实验安全。

具体实施例三

本实施例的立式湍流效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定所述盖5为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈，如图6所示，图6展示的是三个环形圈相叠加及叠加后炉圈结构的示意图。

这种结构设计，可以通过调整环形圈的数量，实现调整盖5的开口大小，进而在不改变其他结构、参数和技术指标的前提下，改变湍流效应模拟效果，进而增大本发明湍流效应模拟装置的模拟范围。

具体实施例四

本实施例的立式湍流效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定所述罐体2为伸缩结构。

这种结构设计，可以通过调整罐体2的长度，实现在不改变其他结构、参数和技术指标的前提下，改变湍流效应模拟效果，进而增大本发明湍流效应模拟装置的模拟范围。

具体实施例三和具体实施例四中，通过改变盖5的开口大小或改变罐体2的长度来改变湍流效应模拟效果，进而增大本发明湍流效应模拟装置的模拟范围，是采用气流进行湍流效应直接模拟才具有的特性，该特性不仅在现有技术中没有说明，而且也超出了本领域技术人员的认知。

具体实施例五

以上立式湍流效应模拟装置，还包括光学成像系统8，所述光学成像系统如图7所示，包括光源81，针孔82，准直透镜83，光栅84，物镜85和图像传感器86；光源81发出的光束，经过针孔82形成点光源，再经过准直透镜83准直后形成平行光束，照亮光栅84，所述光栅84与图像传感器86分别设置在物镜85的物方和像方；其中，光源81，针孔82，准直透镜83和光栅84设置在黑体1内部，图像传感器86设置在罐体2内部，物镜85设置在黑体1内部或罐体2内部，在本实施例中，物镜85设置在黑体1内部。

这种结构设计，可以对湍流模拟效果进行监测，利用图像传感器86得到的图像进行光栅84对比度衰减的计算，根据计算结果控制电阻丝并调整温度传感器的阈值，实现整套系统闭环控制，有利于提高湍流效应模拟的准确性。

具体实施例六

本实施例的立式湍流效应模拟装置，在具体实施例五的基础上，进一步限定所述光栅84能够在其所在平面内旋转90度。

经研究发现，采用气流进行湍流效应直接模拟方式与采用光学模拟和算法模拟间接模拟方式的本质区别在于，气流会在二维方向出现光学模拟和算法模拟能够控制的差别，这样的差别在采用气流进行湍流效应直接模拟时无法准确控制，这个特性不仅在现有技术中没有说明，而且也超出了本领域技术人员的认知，因此有必要对二维方向都进行监测。而本实施例的这种结构限定，能够实现在二维方向上监测光栅84的对比度变化规律，有效避免单一方向实现模拟，而另一方向不达标的问题，有利于提高湍流效应模拟的准确性。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此，本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

Claims (2)

1.立式湍流效应模拟装置，其特征在于，包括开口向上的黑体（1），设置在黑体（1）上方开口向下的罐体（2），黑体（1）的开口与罐体（2）的开口之间通过伸缩结构（3）连接，所述伸缩结构（3）内部设置有虹膜光圈结构（4）；

所述的黑体（1）从内到外依次包括陶瓷层（11），中间层（12），冷却层（13）和外壳（14）；所述中间层（12）中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层（13）充水；

所述罐体（2）顶部设置有开口，开口上设置有盖（5）；

所述伸缩结构（3）从内到外依次包括内层伸缩管（31），保温层（32）和外层伸缩管（33），所述内层伸缩管（31）包括设置在中间的非伸缩端和连接在非神缩端两端的伸缩管组成，在非神缩端上安装虹膜光圈结构（4）；

所述虹膜光圈结构（4）包括环形圈（41），在环形圈（41）上均匀分布的转轴（42），绕转轴（42）旋转的弧形金属叶片（43），所述转轴（42）和弧形金属叶片（43）的数量相同，至少为六个；

所述盖（5）为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈；

所述罐体（2）为伸缩结构。

2.根据权利要求1所述的立式湍流效应模拟装置，其特征在于，所述光栅（84）能够在其所在平面内旋转90度。