CN113310656A - 一种三维激波外轮廓观测方法 - Google Patents

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Abstract

一种三维激波外轮廓观测方法，包括步骤如下：1)在超/高超声速风洞中，采用光线偏折流场显示方法观测流场波系结构；2)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角1位置处，使用高频相机拍照获得周向角1对应的截面激波外轮廓；3)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角2位置处，使用高频相机拍照获得周向角2对应的截面激波外轮廓；4)绕试验模型中心轴线一次将试验模型旋转至n个周向角位置处，获得n个周向角位置对应的截面激波外轮廓；5)根据n个周向角位置对应的截面激波外轮廓，采用三维重构方法，获得试验模型的三维激波外轮廓。本发明的方法对测量观测设备要求低，具有原理简单，操作方法的优点。

Description

一种三维激波外轮廓观测方法
技术领域
本发明涉及一种三维激波外轮廓观测方法，属于试验测量技术领域。
背景技术
在超/高超声速风洞中，一般基于气体的光学折射率是密度的函数，利用气体折射率变化引起的光线偏折原理进行流场波系结构显示，具体包括干涉法、纹影法和阴影法，由于光学折射是一个路径的积分过程，采用光线偏折方法获得的激波结构均是整个光学路径上激波结构的叠加，无法实现三维激波结构的观测。而聚焦纹影技术随可通过光线聚焦的方法实现不同位置平面流场的观测，但是该技术光学设备复杂，观测截面方向单一(垂直于光轴)，且无法实现被模型遮挡区域激波结构的观测。
发明内容
本发明解决的技术问题为：本发明提供一种三维激波外轮廓观测方法，在超/高超声速风洞试验中，采用模型旋转的方法实现不同周向角截面激波结构的观测，然后进行三维重构，获得三维激波外轮廓；对测量观测设备要求低，具有原理简单，操作方法的优点。
本发明解决的技术方案为：一种三维激波外轮廓观测方法，包括步骤如下：
1)在超/高超声速风洞中，采用光线偏折流场显示方法观测流场波系结构；
2)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角1位置处，使用高频相机拍照获得周向角1对应的截面激波外轮廓；
3)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角2位置处，使用高频相机拍照获得周向角2对应的截面激波外轮廓；
4)绕试验模型中心轴线一次将试验模型旋转至n个周向角位置处，获得n个周向角位置对应的截面激波外轮廓；n为正整数；
5)根据n个周向角位置对应的截面激波外轮廓，采用三维重构方法，获得试验模型的三维激波外轮廓。
超/高超声速风洞的来流速度大于等于声速。
光线偏折流场显示方法包括干涉法、纹影法和阴影法。
超/高超声速风洞为运行时间超过1s的连续风洞或为运行时间小于1s的脉冲风洞。
在连续风洞中，控制试验模型按照步进方式旋转，试验模型在每一个周向角上停留时间不小于10ms，流场观测采用的高频相机曝光时间不大于停留时间的十分之一，同时在每个周向角上拍摄的流场波系结构帧数大于3。
在连续风洞中，控制试验模型按照设定的旋转速度旋转，旋转速度以不影响周围流场为标准，采用高频相机采集流场波系结构，实时记录流场波系结构。
在脉冲风洞中，每一车次获得一个周向角的截面流场波系结构；每一车次风洞运行结束后，旋转试验模型，改变试验模型的周向角；所有车次的风洞运行参数保持一致，通过多车次测量，获得多个周向角截面流场波系结构。
试验模型旋转周期大于5s，高频相机采集频率大于10kHz。
模型旋转角度与高频相机采集频率同步，两者的时间轴一致。
周向角截面的数目n大于8。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用光线偏折流场显示方法观测流场波系结构，采用模型旋转的方法实现不同周向截面位置激波结构的观测，方法简单，操作方法，对设备要求低。
(2)本发明采用模型旋转的方法，可实现模型周围各个方向上的激波结构观测，通过三维重构，可获得完整的三维激波外轮廓。
附图说明
图1为三维激波外轮廓观测流程图；
图2为模型周向角截面定义示意图；
图3为风洞试验布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明为一种三维激波外轮廓观测方法，是在超/高超声速风洞试验中，采用模型旋转的方法实现不同周向角截面激波结构的观测，然后进行三维重构，获得三维激波外轮廓，包括步骤如下：
1)在超/高超声速风洞中，采用光线偏折流场显示方法观测流场波系结构；
2)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角1位置处，使用高频相机拍照获得周向角1对应的截面激波外轮廓；
3)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角2位置处，使用高频相机拍照获得周向角2对应的截面激波外轮廓；
4)绕试验模型中心轴线一次将试验模型旋转至n个周向角位置处，获得n个周向角位置对应的截面激波外轮廓；n为正整数；
5)根据n个周向角位置对应的截面激波外轮廓，采用三维重构方法，获得试验模型的三维激波外轮廓。
超/高超声速风洞的来流速度大于等于声速。
线偏折流场显示方法包括干涉法、纹影法和阴影法。
超/高超声速风洞为运行时间超过1s的连续风洞或为运行时间小于1s的脉冲风洞。
在连续风洞中，控制试验模型按照步进方式旋转，试验模型在每一个周向角上停留时间不小于10ms，流场观测采用的高频相机曝光时间不大于停留时间的十分之一，同时在每个周向角上拍摄的流场波系结构帧数大于3。
在连续风洞中，控制试验模型按照设定的旋转速度旋转，旋转速度以不影响周围流场为标准，采用高频相机采集流场波系结构，实时记录流场波系结构。
在脉冲风洞中，每一车次获得一个周向角的截面流场波系结构；每一车次风洞运行结束后，旋转试验模型，改变试验模型的周向角；所有车次的风洞运行参数保持一致，通过多车次测量，获得多个周向角截面流场波系结构。
试验模型旋转周期大于5s，高频相机采集频率大于10kHz。
模型旋转角度与高频相机采集频率同步，两者的时间轴一致。
周向角截面的数目n大于8。
实施例
一种三维激波外轮廓观测方法，包括步骤如下：
1)在超/高超声速风洞试验中，采用光线偏折法流场显示技术观测流场波系结构；
2)试验过程中，绕模型中心轴线旋转试验模型至周向角1，拍照获得周向角1截面激波外轮廓；
3)绕模型中心轴线旋转试验模型至周向角2，拍照获得周向角2截面激波外轮廓；
4)照此反复，旋转n个周向角，获得n个周向角截面激波外轮廓；
如图2所示，为模型周向角截面定义示意图；如图3所示，为风洞试验布置示意图。在超/高超声速风洞试验中，风洞来流速度大于声速，在模型周围会产生激波，采用光线偏折流场显示技术观测流场波系结构，常用的光线偏折法包括干涉法，纹影法和阴影法，由于光学折射是一个路径的积分过程，采用光线偏折方法获得的激波结构均是整个光学路径上激波结构的叠加，以圆锥模型为例，采用光线偏折法获得的流场波系结构如图2左图所示，显示的激波结构代表的是垂直于光学观测路径截面的波系结构；
在连续式风洞试验过程中，由于风洞运行时间较长，可以采用动作机构，使模型逐步旋转，比如以10度为一步，旋转17次，获得18个周向(0度、10度、20度……170度)的流场波系结构。在风洞运行时间短的脉冲型风洞中，每次试验获得一个周向角截面的激波结构，试验间隔旋转模型，进行18次试验，获得18个截面上的流场波系结构；
试验中，周向角间隔越小，获得的周向截面波系图越多，三维重构获得的三维激波外轮廓的精度越高。
5)基于n个周向角截面激波外轮廓，采用三维重构技术，获得三维激波外轮廓。
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 (10)

1.一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)在超/高超声速风洞中，采用光线偏折流场显示方法观测流场波系结构；
2)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角1位置处，使用高频相机拍照获得周向角1对应的截面激波外轮廓；
3)绕试验模型中心轴线旋转试验模型至周向角2位置处，使用高频相机拍照获得周向角2对应的截面激波外轮廓；
4)绕试验模型中心轴线一次将试验模型旋转至n个周向角位置处，获得n个周向角位置对应的截面激波外轮廓；n为正整数；
5)根据n个周向角位置对应的截面激波外轮廓，采用三维重构方法，获得试验模型的三维激波外轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：超/高超声速风洞的来流速度大于等于声速。
3.根据权利要求1或2所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：光线偏折流场显示方法包括干涉法、纹影法和阴影法。
4.根据权利要求3所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：超/高超声速风洞为运行时间超过1s的连续风洞或为运行时间小于1s的脉冲风洞。
5.根据权利要求4所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：在连续风洞中，控制试验模型按照步进方式旋转，试验模型在每一个周向角上停留时间不小于10ms，流场观测采用的高频相机曝光时间不大于停留时间的十分之一，同时在每个周向角上拍摄的流场波系结构帧数大于3。
6.根据权利要求4所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：在连续风洞中，控制试验模型按照设定的旋转速度旋转，旋转速度以不影响周围流场为标准，采用高频相机采集流场波系结构，实时记录流场波系结构。
7.根据权利要求4所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：在脉冲风洞中，每一车次获得一个周向角的截面流场波系结构；每一车次风洞运行结束后，旋转试验模型，改变试验模型的周向角；所有车次的风洞运行参数保持一致，通过多车次测量，获得多个周向角截面流场波系结构。
8.根据权利要求4～7任一所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：试验模型旋转周期大于5s，高频相机采集频率大于10kHz。
9.根据权利要求8所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：模型旋转角度与高频相机采集频率同步，两者的时间轴一致。
10.根据权利要求9所述的一种三维激波外轮廓观测方法，其特征在于：周向角截面的数目n大于8。
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