CN111780946A - 基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法 - Google Patents

基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法。该测量方法首先使用标定装置获得振动温度——特征波长强度比标定曲线，再通过测点的电子束荧光振动谱带图像，得到每个测点的光谱强度比值，对应振动温度——特征波长强度比标定曲线，计算每个测点的振动温度，绘制低密度风洞流场振动温度分布图。本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法可靠、有效、操作便捷，标定装置标定准确。

Description

基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法
技术领域
本发明属于高超声速低密度风洞试验技术领域，具体涉及一种基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法。
背景技术
在高超声速低密度风洞试验中，由于空气中的氮气为双原子分子，在稀薄流动中会出现热力学非平衡效应，氮气气体分子的振动温度和转动温度不一致，需要测量氮气气体分子的振动温度和转动温度，用于热力学非平衡效应研究。目前，可采用电子束荧光技术测量流场中气体的振动温度和转动温度，其中，转动温度测量已有比较成熟的技术，可通过测量氮气分子的电子束荧光转动光谱来计算转动温度。但是，振动温度测量还在探索之中。目前，主要通过振动谱带计算振动温度，但是需要准确的各种气体分子的光谱常数和不受任何影响的理想光路，实现难度很大。
当前，亟需发展一种基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法。
本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度标定装置，其特点是，所述的标定装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段上驻室的电子枪，安装在高超声速低密度风洞的试验段下驻室的法拉第杯，法拉第杯用于接收电子枪发射的电子束，电子束位于喷管和扩压器之间并垂直于喷管的轴线从上至下穿过温度源的中心空腔；
通过导线连接的光谱仪和CCD相机布置在试验段的观察窗外，光谱仪与观察窗之间还布置有凸透镜；
CCD相机与计算机之间通过网线连接；
所述的温度源为一根圆管，圆管从外至内依次设置有同轴的外壳、保温层和电热管，在圆管的中段，0°侧壁位置安装有沿竖直方向从上至下平行分布的热电偶，180°侧壁位置安装有对应的光学玻璃，圆管的中段的空腔为测量区域。
所述的测量方法包括以下步骤：
a.先将低密度风洞的试验段抽真空至20Pa以下，温度源通电升温，从室温升至1000K，间隔△T，在每个温度台阶下温度稳定后，开启电子枪发射电子束，电子束穿过温度源，在测量区域产生的电子束荧光通过光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪内产生各个温度台阶的电子束荧光振动谱带，CCD相机记录各个温度台阶的电子束荧光振动谱带图像F1、F2、……、Fn并传输至计算机处理，关闭电子枪和温度源；
b.计算机对F1、F2、……、Fn进行光谱分析，在每个温度台阶选取同样的两个特征波长的光谱强度，计算光谱强度比值，绘制振动温度——特征波长强度比标定曲线，完成振动温度标定；
c.打开试验段，取出温度源，关闭试验段；
d.将试验段抽真空至20Pa以下，开启低密度风洞吹风，开启电子枪发射电子束，电子束穿过低密度风洞流场，CCD相机记录电子束当前位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，并传输至计算机；
e.同步移动电子枪和光谱仪至下一个位置，重复步骤d，获得下一个位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，直至获得预设的所有位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像；
f.关闭电子枪，低密度风洞停车；
g.计算机读取所有测点的电子束荧光振动谱带图像，得到每个测点的光谱强度比值，通过步骤b的振动温度——特征波长强度比标定曲线，计算每个测点的振动温度，绘制低密度风洞流场振动温度分布图。
进一步地，所述的△T为10K、20K、50K、100K或200K。
进一步地，所述的光学玻璃为石英玻璃、白宝石或蓝宝石。
进一步地，所述的电热管的长径比大于等于8。
本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法中使用的热电偶能够用于监控测量区域的温度是否均匀。
本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法通过测量流场中气体的某两个特征波长的光谱强度比值，对应标定曲线，可获得流场中振动温度，用于热力学非平衡效应程度的研究。
本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法可靠、有效、操作便捷，标定装置标定准确。
附图说明
图1为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法中的标定装置的示意图(主视图)；
图2为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法中的标定装置的示意图(侧视图)。
图3为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法中的标定装置的温度源示意图；
图4a为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的光谱强度曲线(振动温度Tv＝400K)；
图4b为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的光谱强度曲线(振动温度Tv＝600K)；
图4c为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的光谱强度曲线(振动温度Tv＝800K)；
图4d为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的光谱强度曲线(振动温度Tv＝1000K)；
图5为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的振动温度——特征波长强度比标定曲线；
图6为本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法获得的振动温度分布曲线。
图中，1.试验段 2.电子枪 3.电子束 4.温度源 5.法拉第杯 6.观察窗 7.凸透镜8.光谱仪 9.CCD相机 10.计算机 11.扩压器 12.喷管；
41.外壳 42.保温层 43.光学玻璃 44.测量区域 45.热电偶 46.电热管。
图6中，□表示喷管出口X＝100mm截面的径向振动温度分布曲线；
■表示喷管出口X＝150mm截面的径向振动温度分布曲线；
▲表示喷管出口X＝200mm截面的径向振动温度分布曲线；
○表示喷管出口X＝250mm截面的径向振动温度分布曲线。
具体实施方案
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
本实施例给出了本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法使用的标定步骤及标定后的低密度风洞流场振动温度测量方法。测试条件为：马赫数12的锥形喷管、总压P0＝1MPa、总温T0＝600K。
如图1、图2所示，本发明的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法使用的标定装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段1上驻室的电子枪2，安装在高超声速低密度风洞的试验段1下驻室的法拉第杯5，法拉第杯5用于接收电子枪2发射的电子束3，电子束3位于喷管12和扩压器11之间并垂直于喷管12的轴线从上至下穿过温度源4的中心空腔；
通过导线连接的光谱仪8和CCD相机9布置在试验段1的观察窗6外，光谱仪8与观察窗6之间还布置有凸透镜7；
CCD相机9与计算机10之间通过网线连接；
如图3所示，所述的温度源4为一根圆管，圆管从外至内依次设置有同轴的外壳41、保温层42和电热管46，在圆管的中段，0°侧壁位置安装有沿竖直方向从上至下平行分布的热电偶45，180°侧壁位置安装有对应的光学玻璃43，圆管的中段的空腔为测量区域44。
具体步骤如下：
a.先将低密度风洞的试验段1抽真空至20Pa以下，温度源4通电升温，从室温升至1000K，间隔△T＝200K，在每个温度台阶下温度稳定后，开启电子枪2发射电子束3，电子束3穿过温度源4，在测量区域44产生的电子束荧光通过光学玻璃43被凸透镜7收集至光谱仪8的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪8内产生各个温度台阶的电子束荧光振动谱带，CCD相机9记录各个温度台阶的电子束荧光振动谱带图像F1、F2、……、Fn并传输至计算机10处理，关闭电子枪2和温度源4；各个温度台阶的电子束荧光振动谱带图像见图4a、4b、4c、4d；
b.计算机10对F1、F2、……、Fn进行光谱分析，在每个温度台阶选取同样的两个特征波长的光谱强度，计算光谱强度比值，绘制如图5所示的振动温度——特征波长强度比标定曲线，完成振动温度标定；
c.打开试验段1，取出温度源4，关闭试验段1；
d.将试验段1抽真空至20Pa以下，开启低密度风洞吹风，开启电子枪2发射电子束3，电子束3穿过低密度风洞流场，CCD相机9记录电子束3当前位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，并传输至计算机10；
e.同步移动电子枪2和光谱仪8至下一个位置，重复步骤d，获得下一个位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，直至获得预设的所有位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像；
f.关闭电子枪2，低密度风洞停车；
g.计算机10读取所有测点的电子束荧光振动谱带图像，得到每个测点的光谱强度比值，通过步骤b的振动温度——特征波长强度比标定曲线，计算每个测点的振动温度，绘制低密度风洞流场振动温度分布图，具体见图6。
进一步地，所述的△T为10K、20K、50K、100K或200K。
进一步地，所述的光学玻璃43为石英玻璃、白宝石或蓝宝石。
进一步地，所述的电热管46的长径比大于等于8。

Claims (4)

1.基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法，其特征在于，所述的测量方法使用的标定装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段(1)上驻室的电子枪(2)，安装在高超声速低密度风洞的试验段(1)下驻室的法拉第杯(5)，法拉第杯(5)用于接收电子枪(2)发射的电子束(3)，电子束(3)位于喷管(12)和扩压器(11)之间并垂直于喷管(12)的轴线从上至下穿过温度源(4)的中心空腔；
通过导线连接的光谱仪(8)和CCD相机(9)布置在试验段(1)的观察窗(6)外，光谱仪(8)与观察窗(6)之间还布置有凸透镜(7)；
CCD相机(9)与计算机(10)之间通过网线连接；
所述的温度源(4)为一根圆管，圆管从外至内依次设置有同轴的外壳(41)、保温层(42)和电热管(46)，在圆管的中段，0°侧壁位置安装有沿竖直方向从上至下平行分布的热电偶(45)，180°侧壁位置安装有对应的光学玻璃(43)，圆管的中段的空腔为测量区域(44)；
所述的测量方法包括以下步骤：
a.先将低密度风洞的试验段(1)抽真空至20Pa以下，温度源(4)通电升温，从室温升至1000K，间隔△T，在每个温度台阶下温度稳定后，开启电子枪(2)发射电子束(3)，电子束(3)穿过温度源(4)，在测量区域(44)产生的电子束荧光通过光学玻璃(43)被凸透镜(7)收集至光谱仪(8)的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪(8)内产生各个温度台阶的电子束荧光振动谱带，CCD相机(9)记录各个温度台阶的电子束荧光振动谱带图像F1、F2、……、Fn并传输至计算机(10)处理，关闭电子枪(2)和温度源(4)；
b.计算机(10)对F1、F2、……、Fn进行光谱分析，在每个温度台阶选取同样的两个特征波长的光谱强度，计算光谱强度比值，绘制振动温度——特征波长强度比标定曲线，完成振动温度标定；
c.打开试验段(1)，取出温度源(4)，关闭试验段(1)；
d.将试验段(1)抽真空至20Pa以下，开启低密度风洞吹风，开启电子枪(2)发射电子束(3)，电子束(3)穿过低密度风洞流场，CCD相机(9)记录电子束(3)当前位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，并传输至计算机(10)；
e.同步移动电子枪(2)和光谱仪(8)至下一个位置，重复步骤d，获得下一个位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像，直至获得预设的所有位置所在截面的各测点的电子束荧光振动谱带图像；
f.关闭电子枪(2)，低密度风洞停车；
g.计算机(10)读取所有测点的电子束荧光振动谱带图像，得到每个测点的光谱强度比值，通过步骤b的振动温度——特征波长强度比标定曲线，计算每个测点的振动温度，绘制低密度风洞流场振动温度分布图。
2.根据权利要求1所述的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法，其特征在于，所述的△T为10K、20K、50K、100K或200K。
3.根据权利要求1所述的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法，其特征在于，所述的光学玻璃(43)为石英玻璃、白宝石或蓝宝石。
4.根据权利要求1所述的基于电子束荧光技术的低密度风洞流场振动温度测量方法，其特征在于，所述的电热管(46)的长径比大于等于8。
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