CN113639955B - 一种用于测量凹面板边界层扰动的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及凹面板边界层扰动测量技术领域，公开了一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，本装置包括：凹平面实验模型，所述凹平面实验模型用于实现凹面边界层扰动演化以及用于使射入的平行光发生偏折发散；补偿部，所述补偿部设置在所述凹平面实验模型的背面，用于修正经过前方凹平面实验模型后发生偏折发散后的平行光的光路；密封部，所述密封部位于所述补偿部的后方，且与所述补偿部密封连接，所述密封部用于遮挡补偿部的后方的流场，保证所述补偿部后方没有气流通过。本发明提供的装置可以将传统的纹影系统用于测量高超声速凹面边界层扰动的空间演化，配合高分辨率和高采样频率相机有利于研究边界层内扰动演化的物理规律。

Description

一种用于测量凹面板边界层扰动的装置
技术领域
本发明涉及凹面板边界层扰动测量技术领域，尤其涉及一种用于测量凹面板边界层扰动的装置。
背景技术
高超声速边界层转捩过程中密度变化比较明显。传统上，研究者一般使用纹影技术测量高超声速边界层转捩过程中密度梯度的变化，通过改变刀口的切割方向，我们可以获得密度梯度沿流向和法向的变化，根据实验场地的大小，“Z”字型光路纹影系统是比较常见的纹影测量光路。但是传统的纹影技术通常只能用于测量圆锥等旋转体边界层密度梯度沿空间的变化，很难将纹影技术用于测量平板或者曲面模型边界层密度梯度的变化。因为如果将平板或者曲面模型水平放置，纹影的平行光路沿着模型展向通过测量区域，得到的密度梯度是沿展向取平均后的得到结果，边界层中扰动的有效信号沿展向取平均操作以后，有效信号被淹没，我们很难使用纹影得到平板或者凹面板边界层中的扰动的有效信号。
当然目前聚焦纹影可以测量平板或者凹面板某一展向位置边界层密度梯度沿流向的变化，但是由于受到现有技术的限制，对于实验舱比较大的风洞，目前聚焦纹影聚焦的展向厚度有5 mm，其测量得到的信号同样存在沿展向取平均操作的现象，大大降低了有效信号的强度。所以将聚焦纹影技术用于测量平板或者凹面板边界层密度梯度沿流向的变化，我们仍然很难得到满意的测量结果。为了将传统纹影系统应用于测量凹面板边界层扰动信号，我们需要寻找新的光路设计方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，本发明基于传统的“Z”字型光路纹影系统，提供了一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，该装置通过设计补偿透镜和挡风罩的方式，将纹影应用于测量凹面板边界层扰动。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，包括：
凹平面实验模型，所述凹平面实验模型用于实现凹面边界层扰动演化以及用于使射入的平行光发生偏折发散；
补偿部，所述补偿部设置在所述凹平面实验模型的背面，用于修正经过前方凹平面实验模型后发生偏折发散后的平行光的光路；
密封部，所述密封部位于所述补偿部的后方，且与所述补偿部密封连接，所述密封部用于遮挡补偿部的后方的流场，保证所述补偿部后方没有气流通过。
其中，所述补偿部选用补偿透镜，所述补偿透镜的一面为凸平面，所述补偿透镜的凸平面与所述凹平面实验模型的凹平面互相背对设置。
所述密封部选用挡风罩，所述挡风罩为中空的矩形体结构，且所述挡风罩面向气流方向的一面采用尖前缘三角形的方式设计有前缘尖角。
通过在凹平面实验模型的背面设置具有凸平面的补偿透镜，可以使发生偏折的光路重新变成平行光，适应纹影系统的工作原理。
进一步的，还包括支撑部，所述凹平面实验模型安装在所述支撑部上。
进一步的，所述凹平面实验模型采用石英光学玻璃加工制成。
进一步的，所述补偿透镜的凸平面所处的圆心与所述凹平面实验模型的凹平面所处的圆心处于同一直线，但是两圆心不重合，以防止补偿透镜两侧的平行光出现偏移。
进一步的，所述补偿透镜采用石英光学玻璃加工制成。
进一步的，所述挡风罩采用铝合金材质加工制成，以减小整个装置的质量。
进一步的，所述挡风罩的前缘尖角的角度为15°，以减弱激波的强度。
进一步的，所述挡风罩的壁厚为3mm。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
本发明将传统的纹影系统用于测量高超声速凹面边界层扰动的空间演化，配合高分辨率和高采样频率相机有利于研究边界层内扰动演化的物理规律，具体可在至少如下三方面得到应用：
1. 测量平板边界层扰动的演化；
2. 测量凹面板边界层扰动空间的演化过程；
3. 检验/验证PCB压力传感器以及粒子图像测速得到结果的正确与否。
附图说明
图1是传统“Z”字型光路纹影系统示意图。
图2是本发明一实施例提供的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置结构示意图。
图3是本发明一实施例提供的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置的侧视图。
图4是本发明一实施例提供的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置的俯视图。
图5是本发明一实施例提供的凹平面实验模型和补偿透镜的截面图。
图6是本发明一实施例提供的挡风罩结构示意图。
图7是本发明一实施例提供的挡风罩结构的正视图。
图8是本发明一实施例提供的挡风罩结构的侧视图。
图9是本发明一实施例提供的挡风罩结构的俯视图。
图10是滤波带宽为（95, 125） kHz 的光强信号的时间序列仿真示意图。
附图标记：1-凹平面实验模型，2-补偿部，3-密封部，4-支撑部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
本实施例基于传统的“Z”字型光路纹影系统，提供一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，传统的“Z”字型光路纹影系统结构如图1所示，图1中经常使用的光源有激光、LED 光源、钨灯光源； PM1 和 PM2 是两面焦距和半径相等的抛物面反射镜，用来产生平行光； KE 是刀口，用于切光源产生明暗分布，刀口的类型有单刀口、双刀口、四刀口、栅格刀口、圆形刀口等；C 是高速相机，用于记录纹影图片。
对于本装置而言，通常情况下，平行光沿着凹平面实验模型法向垂直穿过玻璃模型，而在实验时，只需测量凹面左侧边界层扰动的演化，所以在本技术方案中设计密封部遮挡凹面右侧的流场，这样光路沿边界层法向积分得到的结果才是凹面边界层左侧流场扰动的真实信号。
具体的，在本实施例中，如图2至图4所示，本装置包括：凹平面实验模型1、补偿部2、密封部3和支撑部4，其中，凹平面实验模型1安装在支撑部4上面，当平行光照射在凹平面实验模型1的凹平面部分时，由于凹平面实验模型1是曲面，所以可使射入的平行光发生偏折发散，当气流流向凹平面实验模型1的凹平面部分时，可实现凹面边界层扰动演化。
具体的，在本实施例中，补偿部2安装在凹平面实验模型1的背面，补偿部2紧靠着凹平面实验模型1，当平行光经过凹平面实验模型1被偏折发散后射入补偿部2，补偿部2对偏折发散后的平行光的光路进行修正，以确保平行光能够照射到第二个纹影镜。
具体的，在本实施例中，密封部3位于补偿部2的后方，且与补偿部2密封连接，密封部3用于遮挡补偿部2的后方的流场，保证所述补偿部2后方没有气流通过。
在一个可选地实施例中，凹平面实验模型1采用石英光学玻璃加工而成。
在一个可选地实施例中，采用补偿透镜作为补偿部2，补偿透镜采用石英光学玻璃加工制成；补偿透镜的一面为凸平面，补偿透镜的凸平面与凹平面实验模型1的凹平面互相背对设置，这样可以使发生偏折的光路重新变成平行光，以适应纹影系统的工作原理。
另外，为了防止补偿透镜两侧的平行光出现偏移，因此，如图5所示，将补偿透镜的凸平面所处的圆心与凹平面实验模型1的凹平面所处的圆心处于同一直线，但是两圆心不重合，具体的设计参数通过光学设计软件分析、模拟得出。
在一个可选地实施例中，采用挡风罩作为密封部3，如图6至图9所示，挡风罩为中空的矩形体结构，且挡风罩面向气流方向的一面采用尖前缘三角形的方式设计有前缘尖角，前缘尖角的角度尽可能小一些，从而减弱激波的强度，在本实施例中，前缘尖角的角度为15°。
挡风罩与补偿部2的采用密封连接，以保证凹面右侧完全没有气流通过。
挡风罩的高度H根据风洞喷管直径D来定，一般选H = 0.8D。
挡风罩优选铝合金材质加工，铝合金材质轻，可以减小整个装置的质量，挡风罩壁厚优选3 mm。
挡风罩长度L和宽度W根据测量区尺寸选择。在本实施例中，选择的测量区域为200× 50 mm，所以L = 208 mm，W = 58 mm。
图10给出滤波带宽为（95, 125） kHz 的光强信号的时间序列。可以发现，高频扰动在光强信号时间序列中十分的明显，沿着流向移动，高频扰动增长，如图10中箭头所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，包括：
凹平面实验模型，所述凹平面实验模型用于实现凹面边界层扰动演化以及用于使射入的平行光发生偏折发散；
补偿部，所述补偿部设置在所述凹平面实验模型的背面，用于修正经过前方凹平面实验模型后发生偏折发散后的平行光的光路；
密封部，所述密封部位于所述补偿部的后方，且与所述补偿部密封连接，所述密封部用于遮挡补偿部的后方的流场，保证所述补偿部后方没有气流通过；
所述密封部选用挡风罩，所述挡风罩为中空的矩形体结构，且所述挡风罩面向气流方向的一面采用尖前缘三角形的方式设计有前缘尖角。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，还包括支撑部，所述凹平面实验模型安装在所述支撑部上。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述凹平面实验模型采用石英光学玻璃加工制成。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述补偿部选用补偿透镜，所述补偿透镜的一面为凸平面，所述补偿透镜的凸平面与所述凹平面实验模型的凹平面互相背对设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述补偿透镜的凸平面所处的圆心与所述凹平面实验模型的凹平面所处的圆心处于同一直线，但是两圆心不重合。
6.根据权利要求4所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述补偿透镜采用石英光学玻璃加工制成。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述挡风罩采用铝合金材质加工制成。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述挡风罩的前缘尖角的角度为15°。
9.根据权利要求1所述的一种用于测量凹面板边界层扰动的装置，其特征在于，所述挡风罩的壁厚为2mm。
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