CN110261058B - 高焓自由射流风洞及其光学平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高焓自由射流风洞流场测量的光学平台，包括支撑架、光学排架、镜片组和光学窗口。支撑架一端固定在试验舱上，并通过支撑架中空腔和光学窗口将光导入或导出；支撑架另一端与光学排架连接，一是固定光学排架，二是利用其内部中空腔和镜片组将光导入或导出光学排架。光学排架中空腔两端分别与支撑架中空腔和光学排架光学窗口相通，可将光导入测试流场区域，或将测试流场区域的光导出。光学平台共有两种光学窗口，分别为支撑架光学窗口和光学排架光学窗口，两种光学窗口的作用基本一致，即在形成光学通道的同时，实现试验舱外与支撑架中空腔、试验舱内与光学排架中空腔间的密封。镜片组的主要作用光路偏折和整形。

Description

高焓自由射流风洞及其光学平台

技术领域

本发明属于高焓自由射流风洞试验舱流场测量领域，具体涉及一种高焓自由射流风洞及其光学平台。

背景技术

随着激光技术、光电探测技术的蓬勃发展，基于光学的非接触测量技术在流场测量中发挥了重要作用，已经成为阐明流场特性的重要工具。基于光学的非接触测量技术不仅能提供瞬时流动与热力学信息，并具有必要的时间和空间分辨能力，在高焓风洞流场标定、飞行器试验模型气动参数、发动机内反应及非反应流场参数测量方面拥有广阔的应用前景。

经过几十年的发展，光学诊断技术在国际上已经获得很高的重视和发展。近年来，国际上斯坦福大学、Sandia国家实验室、悉尼大学、隆德大学以及中国西核所、安光所、29基地、国防科大、西工大等科研院所探索研究了PLIF、HTV、TDLAS、PIV、NPLS、CARS、SVRS等流场诊断技术在高焓风洞和发动机燃烧流场测量中的应用，并取得了大量科研成果和工程经验，有力推动了高焓风洞测试技术的发展。

高焓自由射流风洞试验舱流场高温、高速以及运行过程中强震动的特点使得激光器等光源系统、光路整形系统以及相机等采集系统须安置在试验舱外并进行必要的防震动处理。此外，因光强度在传输过程中衰减以及试验舱壁光学观测窗位置限制等因素影响，限制了光学诊断技术在高焓风洞尤其是大尺度高焓自由射流风洞流场校准、测量中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高焓自由射流风洞及其光学平台，以解决利用光学诊断技术在高焓风洞测量中遇到的震动、光强衰减及安装位置有限等工程问题。

本发明的技术解决方案是提供一种高焓自由射流风洞，包括实验舱，其特殊之处在于：还包括固定在实验舱内部的光学平台；

上述光学平台包括光学排架与支撑架；上述支撑架为管状；上述支撑架的两端分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封连接；

上述光学排架的腔壁上开设有第一光学窗口；上述实验舱的舱壁上开设第二光学窗口；第二光学窗口、支撑架的管腔、光学排架的腔室及第一光学窗口依次形成封闭的光路通道；

上述支撑架的径向截面包括中心部及分别位于中心部相对两端的减阻部，上述管腔位于中心部，上述减阻部为实心的三角形形状；三角形的底边对应的面与中心部一体设置，两个三角形的腰对应的面为支撑架的迎风面与背风面；

上述光学排架包括下壁面、上壁面、迎风面与背风面，上述下壁面及上壁面与超音速射流速度矢量平行，迎风面与下壁面之间的夹角小于90°。

进一步地，为了更有效减少光强度传播过程中的衰减，上述光路通道内充有纯净气体，如纯净气体为干净、干燥的空气或高纯度氮气或稀有气体。

进一步地，上述光学排架的腔室内设置有n组光学镜组；用于对光束进行偏折及整形，其中n大于等于1。

进一步地，为降低热载荷，上述减阻部三角形的顶角通过钝化处理为圆弧形。

进一步地，上述支撑架的两端通过石墨垫分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封。

进一步地，上述n组光学镜组包括两个镜面相对且与水平面呈45°夹角的反射镜及位于两个反射镜之间的整形镜组。

通过第二光学窗口、支撑架管腔和光学排架中空腔以及安装在中空腔内的镜片组及第一光学窗口将激光器等光源产生的光导入风洞流场并辐照测试区域；或者将测试区域气体燃烧可见光、特定分子荧光或粒子散射光等经光学窗口、光学排架中空腔、镜片组、支撑架中空腔等部件后导出，并被放置在试验舱外的相机捕获。

本发明还提供一种高焓自由射流风洞的光学平台，其特殊之处在于，包括光学排架与支撑架；上述支撑架为管状；上述支撑架的两端分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封连接；

上述光学排架的腔壁上开设有第一光学窗口；开设在实验舱内壁上的第一光学窗口、支撑架的管腔、光学排架的腔室及第一光学窗口依次形成光路通道；

上述支撑架的径向截面包括中心部及分别位于中心部相对两端的减阻部，所述管腔位于中心部，上述减阻部为实心的三角形形状；三角形的底边对应的面与中心部一体设置，两个三角形的腰对应的面分别为支撑架的迎风面与背风面；

上述光学排架包括下壁面、上壁面、迎风面与背风面，上述下壁面及上壁面与超音速射流速度矢量平行，迎风面与下壁面之间的夹角小于90°。

进一步地，上述光路通道内充有纯净气体。

进一步地，上述光学排架的腔室内设置有n组光学镜组；用于对光束进行偏折及整形，其中n大于等于1。

进一步地，上述减阻部三角形的顶角通过钝化处理为圆弧形；上述支撑架的一端通过石墨垫与光学排架的腔壁密封，另一端与实验舱内壁上的第二光学窗口连通，并通过石墨垫与实验舱内壁密封。

本发明的有益效果是：

1、利用本发明的光学平台，使得辐照流场的激光或流场发出的光经光学平台内部光学通道(充填纯净气体)导入或导出实验舱，可有效避免实验流场中的液滴或固体颗粒对光路遮挡、避免特定组分(如气态水)对特定波长激光(如193nm激光)的吸收等因素对光路的干扰，提高测量精度的同时，拓展了光学诊断技术的应用范围；

2、基于该光学平台，激光器和相机等电子设备可放置在实验舱外，镜片组等光学整形设备放置在平台内部的光学通道内，并与实验流场环境隔绝，可避免实验舱内高温、高速气流扰动等恶劣流场环境对光学诊断设备正常稳定工作的影响。

附图说明

图1为实施例中高焓自由射流风洞的结构示意图；

图2为实施例中高焓自由射流风洞光学平台的结构示意图；

图3a为实施例中光学平台支撑架局部结构示意图；

图3b为沿图3a中A-A线的剖视图；

图3c为实施例中支撑架两端的连接示意图；

图4为实施例中光学平台光学排架局部结构示意图；

图5为实施例中光学排架结构示意图。

图中附图标记为：1-实验舱，2-光学平台，3-激光器或相机；

11-试验舱壁，21-光学排架，22-支撑架，23-第一光学窗口，24-第二光学窗口，25-中心部，26-减阻部，27-光学镜组，28-石墨垫，29-反射镜，30-整形镜组，31-光学排架迎风面，32-光学排架下壁面，33-光学排架背风面，34-光学排架上壁面。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1及图2可以看出，本实施例高焓自由射流风洞主要包括实验舱1及设置在实验舱内的光学平台2，光学平台由均为中空的支撑架22及光学排架21构成，通过支撑架22将光学排架21固定在实验舱内。

从图3a及图3c可以看出，试验舱内壁开设有凹部，支撑架22一端卡入该凹部，通过螺钉与试验舱内壁相连接，并用石墨垫28实现实验舱内壁与支撑架中空腔之间的密封；支撑架22的另一端通过螺钉与光学排架21相连接，并用可耐高温的石墨垫密封；支撑架22内的中空腔导通试验舱外与光学排架21之间的光路；除导通光路外，支撑架22的另一主要作用是支撑、固定光学排架21，主要承受光学排架21和支撑架22本身的气动力；顺超音速射流方向看，支撑架为对称结构，可尽量减小支撑架产生的横向力，降低支撑架和光学平台震动的幅度；为减小支撑架气动力，其迎风面设计为锥型结构，同时为降低热载荷，其头部为钝型；为减小支撑架气动力，其背风面设计为锥型结构；此处结合图3b对上述的锥型结构进一步阐述，从图3b中可以看出，支撑架22的径向截面包括中心部25及分别位于中心部相对两端的减阻部26，中空腔位于中心部，减阻部为实心的三角形形状；三角形的底边对应的面与中心部一体设置，三角形的腰对应的面为支撑架的迎风面与背风面。位于迎风面的减阻部的头部钝化为圆弧形。

从图4可以看出，本实施例光学排架21为中空腔体，包括下壁面32、上壁面34、迎风面31与背风面33，其内部固定安装有光学镜组，从图5可以看出，光学镜组包括两个镜面相对且与水平面呈45°夹角的反射镜29及位于两个反射镜之间的整形镜组30，作用一是光路的偏折，二是光的整形；其底部开设有第一光学窗口23，光学排架的下壁面32及上壁面34均与超音速射流速度矢量平行；光学排架迎风面31与下壁面之间的角度应小于90°，且应尽量壁面迎风面入射激波的反射激波打到光学排架和飞行器上。

本实施例中试验舱壁上开设第二光学窗口24，依次通过第二光学窗口24、支撑架中空腔和光学排架中空腔、安装在中空腔内的镜片组以及第一光学窗口23将激光器等光源产生的光导入风洞流场并辐照测试区域；或者依次通过第一光学窗口23、安装在中空腔内的镜片组、光学排架中空腔、支撑架中空腔及第二光学窗口24将测试区域气体燃烧可见光、特定分子荧光或粒子散射光导出，并被放置在试验舱外的相机捕获。

Claims (11)

1.一种高焓自由射流风洞，包括实验舱(1)，其特征在于：还包括固定在实验舱内部的光学平台(2)；

所述光学平台(2)包括光学排架(21)与支撑架(22)；所述支撑架(22)为管状；所述支撑架(22)的两端分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封连接；

所述光学排架(21)的腔壁上开设有第一光学窗口(23)；所述实验舱(1)的舱壁上开设第二光学窗口(24)；第二光学窗口(24)、支撑架(22)的管腔、光学排架(21)的腔室及第一光学窗口(23)依次形成封闭的光路通道；

所述支撑架(22)的径向截面包括中心部(25)及分别位于中心部相对两端的减阻部(26)，所述管腔位于中心部，所述减阻部(26)为实心的三角形形状；三角形的底边对应的面与中心部一体设置，两个三角形的腰对应的面分别为支撑架的迎风面与背风面；

所述光学排架(21)包括下壁面(32)、上壁面(34)、迎风面(31)与背风面(33)，所述下壁面(32)及上壁面(34)与超音速射流速度矢量平行，迎风面(31)与下壁面(32)之间的夹角小于90°。

2.根据权利要求1所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：所述光路通道内充有纯净气体。

3.根据权利要求2所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：纯净气体为干净、干燥的空气或高纯度氮气或稀有气体。

4.根据权利要求2所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：所述光学排架的腔室内设置有n组光学镜组；用于对光束进行偏折及整形，其中n大于等于1。

5.根据权利要求4所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：作为迎风面的减阻部(26)三角形的顶角通过钝化处理为圆弧形。

6.根据权利要求5所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：所述支撑架(22)的两端通过石墨垫分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封。

7.根据权利要求6所述的高焓自由射流风洞，其特征在于：所述n组光学镜组包括两个镜面相对且与水平面呈45°夹角的反射镜(29)及位于两个反射镜之间的整形镜组(30)。

8.一种高焓自由射流风洞的光学平台，其特征在于，包括光学排架(21)与支撑架(22)；所述支撑架(22)为管状；所述支撑架(22)的两端分别与实验舱内壁及光学排架腔壁密封连接；

所述光学排架(21)的腔壁上开设有第一光学窗口(23)；开设在实验舱内壁上的第二光学窗口(24)、支撑架(22)的管腔、光学排架(21)的腔室及第一光学窗口(23)依次形成光路通道；

所述支撑架(22)的径向截面包括中心部(25)及分别位于中心部相对两端的减阻部(26)，所述管腔位于中心部，所述减阻部为实心的三角形形状；三角形的底边对应的面与中心部一体设置，两个三角形的腰对应的面分别为支撑架(22)的迎风面与背风面；

所述光学排架(21)包括下壁面(32)、上壁面(34)、迎风面(31)与背风面(33)，所述下壁面(32)及上壁面(34)与超音速射流速度矢量平行，迎风面(31)与下壁面(32)之间的夹角小于90°。

9.根据权利要求8所述的高焓自由射流风洞的光学平台，其特征在于：所述光路通道内充有纯净气体。

10.根据权利要求9所述的高焓自由射流风洞的光学平台，其特征在于：所述光学排架的腔室内设置有n组光学镜组；用于对光束进行偏折及整形，其中n大于等于1。

11.根据权利要求10所述的高焓自由射流风洞的光学平台，其特征在于：所述减阻部(26)三角形的顶角通过钝化处理为圆弧形；所述支撑架(22)的一端通过石墨垫(28)与光学排架(21)的腔壁密封，另一端与实验舱内壁上的第二光学窗口连通，并通过石墨垫与实验舱内壁密封。

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