CN112067243A - 一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，通过在风洞喷管出口处布置平行平板，利用光纤及外部激光器实现激光经由风洞流场中并转换为电信号，对电信号进行进一步处理实现风洞流场温度的测量，解决了现有技术中传统流场温度计算方法准确度不足、缺乏非接触测量手段、高焓激波风洞测量要求苛刻的问题，保证了测量精度，同时实现了高焓条件下的非接触测量。

Description

一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，属于高焓激波风洞测试领域。

背景技术

高超声速飞行器、返回器再入时会形成强激波，使气体被加热到较高的温度，导致流动介质发生振动激发、离解甚至电离的高温真实气体效应。这种效应会带飞行器的气动力、气动热和气动物理等气动特性产生很大的影响，因此成为气体动力学研究的前沿领域。由于飞行试验成本较高，大量的试验研究还是在地面模拟设备，尤其是高焓激波风洞中完成。

高焓激波风洞可以产生高焓值高密度的试验气流，能够复现飞行环境中的真实气体效应。然而，这种高温高压气流在喷管中的膨胀过程速度很快且密度较低，在热化学非平衡效应的影响下试验段入口处出现气体组分和振动能量的非平衡冻结现象，导致与真实飞行环境下的气体存在一定差别，所以，必须对高焓风洞气流参数，比如温度进行测量。由于光谱学手段直接利用分子能级的变化获取气流参数，且不会干扰待测流场，同时具有良好的实时性，是很好的高焓流场诊断方式。

目前，在高焓条件下，流场温度通过数值计算手段准确性不够，尚缺乏在高焓条件下的流场温度非接触测量手段，高焓激波风洞流场静压低，静温低，有效时间短，一些常规传感器均不适用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统流场温度计算方法准确度不足、缺乏非接触测量手段的问题，提出了一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，步骤如下：

(1)开始风洞试验前，于风洞喷管前段激波管内加入一定量水以保证风洞试验过程中水由高焓流场加热汽化混合入风洞流场中；

(2)于风洞喷管出口处设置位置相对的两块平行平板作为发射端、接收端，分别于其中一块平行平板外侧设置发射光纤及准直器，于另一块平行平板外侧设置接收光纤及准直器；所述发射光纤一端连接于平行平板外侧表面，另一端连接风洞喷管外的激光器；所述接收光纤一端连接于平行平板外侧表面，另一端连接风洞喷管外侧的光电探测器；发射端与接收端进行位置对准调节，确保发射端发出的光能够全部入射到接收端准直器中；

(3)建立风洞来流，通过外部激光器发射激光，将经过风洞流场的激光经由光电探测器接收，并转化为电信号经由数据采集器采集；

(4)将步骤(3)所得电信号进行数据处理，获取激光于风洞流场中的H2O光谱吸收率，根据所得数据计算流场温度。

所述平行平板均为尖楔状，尖楔角度不大于30°，均设置于风洞流场内。

所述激光发射光谱与H2O吸收光谱吻合，激光经过风洞流场，发射光谱被风洞流场中的H2O部分吸收。

所述外部激光器通过激光控制器控制，激光控制器可接入信号发生器，通过信号发生器产生锯齿波信号，驱动激光器控制器产生相同频率的锯齿波电流，用以控制激光器产生锯齿波扫描信号，使输出激光波长变化。

所述步骤(4)中，流场温度的计算方法为：

探测器将光信号转化为电压信号后，其电压值表征的即为光信号的强度，可计算出不同谱线处的吸收强度，利用吸收强度数据通过吸收线型拟合和基线拟合，通过对路径积分得到积分吸收率，通过吸收谱线的积分吸收率之比和温度之间关系计算出流场温度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，通过在风洞喷管出口处布置平行平板，利用光纤及外部激光器实现激光经由风洞流场中并转换为电信号，对电信号进行进一步处理实现风洞流场温度的测量，解决了现有技术中传统流场温度计算方法准确度不足、缺乏非接触测量手段、高焓激波风洞测量要求苛刻的问题，测量精度较高，能够实现高焓条件下的非接触测量，可为高速高焓流场温度测量提供新的测量手段。

附图说明

图1为发明提供的风洞流场温度测量系统示意图；

图2为发明提供的风洞喷管出口处布置示意图；

具体实施方式

一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，在高焓条件下，通过非接触测量手段，通过将激光通过风洞流场产生的电信号用于计算，获取风洞流场温度的方法，为高焓流场参数确认提供定量测量数据，提升了风洞流场的计算精度，具体步骤为：

第一步，试验前，在风洞喷管前段激波管内加入少量水，其目的在于提高H₂O吸收光谱的信号强度；试验过程中，水通过高焓流场加热汽化后混合到流场中；

第二步，试验前，在风洞喷管出口处布置两个平行的平板，平板前缘为尖楔状，尖楔角度不大于30°，平行平板的一侧布置发射光纤及准直器1，光纤另一端连接风洞外的激光器，准直器1用于将光纤输出的光准直为发散角较小的准直光，发射光纤用于激光器和准直器之间光信号的传输；另一侧布置接收光纤及准直器2，光纤另一端连接风洞外的光电探测器，准直器2用于将接收到的光准直到接收光纤上，接收光纤用于光电探测器和准直器之间光信号的传输；发射光路与接收光路进行位置对准调节，确保发射光全部入射到准直器2中。

采用两个平行的尖楔平板，将两个平板置于流场之中，较之布置在流场外，避免了流场边界层对光谱吸收的影响；

平板尖楔角度不大于30°，在于避免其前缘产生激波影响光谱吸收；

第三步，在风洞来流建立后，通过激光器控制器控制激光器发射激光，激光经过流场，由光电探测器接收，转成电信号由数据采集器采集；

激光发射光谱与某个H2O吸收光谱吻合，激光经过流场，光谱被流场中的H2O部分吸收；

激光器控制器可接入信号发生器，信号发生器产生锯齿波信号，驱动激光器控制器产生同频的锯齿波电流，用以控制激光器产生锯齿波扫描信号，使得输出激光发生同频的光强和频率的变化；

外部激光器通过激光控制器控制，激光控制器可接入信号发生器，通过信号发生器产生锯齿波信号，驱动激光器控制器产生相同频率的锯齿波电流，用以控制激光器产生锯齿波扫描信号，使输出激光产生一定范围的波长变化；

第四步，对电信号进行数据处理，得到激光在流场中的H2O光谱吸收率，进一步计算流场温度数据。

数据处理可应用吸收信号通过吸收线型拟合和基线拟合，通过对路径积分得到积分吸收率，通过吸收谱线的积分吸收率之比和温度之间关系计算出流场温度。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，通过高焓激波风洞中完成了试验验证，包括研制一套基于H₂O吸收光谱的流场温度测量系统，开展了风洞试验，验证了发明的可靠性，其中，如图1所示，为本发明采用的风洞系统样机设计，系统主要组成部分有：激光器、激光器控制器、信号发生器、光纤、准直器、平行平板、光电探测器、数据采集器构成。

激光器控制器接入信号发生器，信号发生器产生锯齿波信号，驱动激光器控制器产生同频的锯齿波电流，用以控制激光器产生锯齿波扫描信号，使得输出激光发生同频的光强和频率的变化；

试验前，在风洞喷管前段激波管内加入约100ml水，其目的在于提高H2O吸收光谱的信号强度；试验过程中，水通过高焓流场加热汽化后混合到流场中；

试验前，在风洞喷管出口处布置两个平行的平板，如图2所示，平行平板的一侧布置发射光纤及准直器，光纤另一端连接风洞外的激光器；另一侧布置接收光纤及准直器，光纤另一端连接风洞外的光电探测器；发射光纤和接收光纤对准。

试验过程中，通过激光器控制器控制激光器发射激光，激光经过流场，由光电探测器接收，转成电信号由数据采集器采集。

试验结束后，进行数据处理。由于试验来流静压很低，此时谱线加宽机制中多普勒加宽占主导地位，吸收线型可用高斯线型函数表示，此时的吸收线型的半高宽仅是温度的函数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)开始风洞试验前，于风洞喷管前段激波管内加入一定量水以保证风洞试验过程中水由高焓流场加热汽化混合入风洞流场中；

(2)于风洞喷管出口处设置位置相对的两块平行平板作为发射端、接收端，分别于其中一块平行平板外侧设置发射光纤及准直器，于另一块平行平板外侧设置接收光纤及准直器；所述发射光纤一端连接于平行平板外侧表面，另一端连接风洞喷管外的激光器；所述接收光纤一端连接于平行平板外侧表面，另一端连接风洞喷管外侧的光电探测器；发射端与接收端进行位置对准调节，确保发射端发出的光能够全部入射到接收端准直器中；

(3)建立风洞来流，通过外部激光器发射激光，将经过风洞流场的激光经由光电探测器接收，并转化为电信号经由数据采集器采集；

(4)将步骤(3)所得电信号进行数据处理，获取激光于风洞流场中的H2O光谱吸收率，根据所得数据计算流场温度。

2.根据权利要求1所述的一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，其特征在于：

所述平行平板均为尖楔状，尖楔角度不大于30°，均设置于风洞流场内。

3.根据权利要求1所述的一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，其特征在于：

所述激光发射光谱与H2O吸收光谱吻合，激光经过风洞流场，发射光谱被风洞流场中的H2O部分吸收。

4.根据权利要求1所述的一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，其特征在于：

所述外部激光器通过激光控制器控制，激光控制器可接入信号发生器，通过信号发生器产生锯齿波信号，驱动激光器控制器产生相同频率的锯齿波电流，用以控制激光器产生锯齿波扫描信号，使输出激光波长变化。

5.根据权利要求1所述的一种用于高焓激波风洞的流场温度测量方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，流场温度的计算方法为：

探测器将光信号转化为电压信号后，其电压值表征的即为光信号的强度，可计算出不同谱线处的吸收强度，利用吸收强度数据通过吸收线型拟合和基线拟合，通过对路径积分得到积分吸收率，通过吸收谱线的积分吸收率之比和温度之间关系计算出流场温度。

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