CN113945354B - 一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法。该试验方法包括：安装测试装置；根据流场条件选取各支路的窄带滤光片的波段并配置对应的光衰减器；进行试验前准备；进行膨胀风洞试验；进行试验数据处理。该试验方法利用膨胀风洞加速段流动特性，即加速引导气体温度高辐射强，而有效试验气体温度低发光弱的特性，能够准确识别加速引导气流和有效试验气流的分界，具有工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于超高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法。
背景技术
膨胀风洞是一种直接模拟超高速气流速度的地面风洞试验设备，对于开展高超声速推进系统、高超声速巡航飞行器、地球大气再入以及行星进入飞行器的超高速飞行气动特性的研究具有重要支撑作用。膨胀风洞的速度和焓值模拟能力突出，并且由于运行过程中试验气流主要通过非定常膨胀获得加速，不经历滞止过程，因此相比反射式激波风洞等其他类型的高超声速脉冲风洞而言能够提供离解度更低的自由来流，可以复现或更接近飞行环境。
膨胀风洞的气流速度可达10km/s，但有效试验气流持续时间极短，通常在几十到几百微秒之间，对测量试验模型气动特性造成了困难和挑战，其中准确判断有效试验气流的持续时间，是进行气动试验的关键问题之一。
膨胀风洞有效试验气流是在加速段引导气流之后到达，有效试验气流与引导气流之间存在接触面，根据接触面相容条件，有效试验气流与加速引导气流之间速度和压力几乎相同。因此常规压力测量方法较难识别膨胀风洞加速段中引导气流与有效试验气流的分界，对判断有效气流的持续时间造成困难。但是根据膨胀风洞加速段气流的流动特性，有效试验气流与加速引导气流之间存在较大的温度差异。在高焓运行条件下，两区气流的温度都很高，能够导致气体的自发光辐射，同时又由于两区气流的温度差异，其光辐射强度及辐射峰值波段存在较大差异。因此，利用温度差异，采用光学测量方法识别加速引导气流和有效试验气流的分界是一种可行的方法，当前亟需发展一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法。
发明内容
气体光辐射测温的基本原理是测量膨胀风洞加速段的高温气流在特定波长的辐射亮度随时间的变化过程，然后基于普朗克热辐射理论，从高温气流的光源辐射亮度变化获得加速段测点处气流温度随时间的变化。这一变化反应了不同分区的不同温度的气流的持续时间，可用于判断风洞有效试验时间。测量中主要关心温度的变化而非准确的温度值，因此不必对测试系统进行严格的校准。
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，包括以下步骤：
S1.安装测试装置；
S11.在膨胀风洞加速段壁面安装光学探头，光学探头通过光纤连接至分光器，分光器连接系列波长的窄带滤光片，将入射光分离为
个不同波段的光信号，再输入至对应的支路光纤，各支路光纤分别连接本支路的光衰减器、光电转换器，将本支路的光学信号转换为电压信号，
个支路的电压信号均传输至同一个数据采集设备，再通过计算机数据处理软件完成所有支路的电压信号处理，得到膨胀风洞加速段测点处气流温度随时间变化曲线；
S12.安装数据采集设备的触发器，触发器以膨胀风洞的壁面压电传感器发送的电压信号为触发信号；
S2.根据流场条件选取各支路的窄带滤光片的波段并配置对应的光衰减器；
设各支路的光辐射亮度
符合黑体辐射理论：
式中，
为黑体温度；
为辐射波长；
，为第一辐射常数，单位
；
，为第二辐射常数，单位
；其中，W为能量单位，瓦；m为长度单位，米；K为开氏温度单位，开尔文；
根据风洞运行理论预测加速引导气流温度和有效试验气流温度，按上式计算辐射与波长的对应曲线，确定试验工况下气流的主要辐射波段，选取相应的窄带滤光片；
根据试验工况的气流温度计算
得到的各波段辐射强度，对经窄带滤光片分离的各波段选用衰减范围为5%～60%的光衰减器，对强辐射波段增大衰减量，对弱辐射波段减小衰减量；
将膨胀风洞加速段内被测气体视为灰体，经分光、滤光为多个波长通道后，各通道测量的辐射亮度为：
式中，
，
为
波长的实测辐射亮度，
为波长
和温度
条件下的理论计算值，
为被测气体的发射率；
S3.进行试验前准备；
接通光电转换器的电源，启动数据采集设备，使测试装置处于等待触发状态；
S4.进行膨胀风洞试验；
膨胀风洞启动，上游激波管中形成的入射激波作用于压电传感器，压电传感器输出电压信号触发数据采集设备开始采集，试验结束后，采集结束；
S5.进行试验数据处理；
计算
与
之间的差异
：
通过最小二乘法求取满足
取最小值时的发射率
和温度
，得到气流温度；计算机数据处理软件综合各时刻采集的温度得到膨胀风洞加速段壁面测点即光学探头所在位置的气流温度随时间变化曲线；根据气流温度随时间变化曲线识别加速引导气流和有效试验气流的分界，得到所需的膨胀风洞有效试验数据开始时间和结束时间，在开始时间和结束时间内进行气动数据分析工作。
进一步地，所述的光学探头通过光学探头组件安装在膨胀风洞加速段壁面上，光学探头组件包括顶杆螺栓、光纤接头和密封垫；光学探头加装密封垫后插入膨胀风洞加速段壁面上加工的与光学探头形状匹配的通孔中，光学探头的前端面与膨胀风洞加速段壁面平齐或者略低，无逆气流台阶；光学探头的后端固定有光纤接头，光纤插入光纤接头，与光学探头中的光学部件建立光路；顶杆螺栓设置有外螺纹，通孔设置有与顶杆螺栓的外螺纹匹配的内螺纹，顶杆螺栓从上向下插入通孔并拧紧，实现顶杆螺栓前端顶紧并固定光学探头，密封垫实现密封光学探头。
进一步地，所述的光学探头的光学元件采用MgF2玻璃。
进一步地，所述的光纤为石英光纤，传输波长范围由紫光到近红外波段。
进一步地，所述的数据采集设备为膨胀风洞配置的数据采集系统或者多通道示波器，数据采集频率为10MHz以上。
进一步地，所述的光纤上套装有金属束护套管。
进一步地，所述的压电传感器为IEPE型压电传感器。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法利用膨胀风洞加速段流动特性，即加速引导气体温度高辐射强，而有效试验气体温度相对较低低、辐射弱的特性。以约8km/s的气流速度工况为例，加速引导气流温度可达约6000K，有效试验气流温度约800K，两者气流温度的显著差异引起自发光辐射的显著差异，通过光辐射测量能够获得测点处气流温度变化，对先后经过光学探头的加速引导气流和有效试验气流予以区分，辅助判断有效试验时间。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法中使用的光学探头组件的结构与安装方式能够保证光学探头的可靠安装，保证光学探头与光学探头组件之间的密封，保证光学探头组件与膨胀风洞加速段壁面之间的密封，且拆装清洗方便。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法中使用的分光器和光衰减器，将光纤收集的光信号过滤、分离为离散的多路特定波段光信号，根据测量条件，可降低光信号的光强以及光电转换器输出的电压信号强度，适应后端数据采集设备的输入要求。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法采用光学探头测量气流光辐射随时间变化，利用不同分区高温气流的温差引起的光辐射差异，能够准确辨识膨胀风洞加速段流动分区特性，识别加速引导气流和有效试验气流的分界，辅助判断膨胀风洞加速段引导气流流动时间和有效试验气流流动时间，为膨胀风洞加速段流动特性分析、模型试验的气动特性分析提供有益参考，具有工程实用价值。
附图说明
图1为本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法的测试装置的结构示意图。
图中，1.光学探头；2.光纤；3.分光器；4.窄带滤光片；5.光衰减器；6.光电转换器；7.数据采集设备；8.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，包括以下步骤：
S1.安装测试装置；
S11.如图1所示，在膨胀风洞加速段壁面安装光学探头1，光学探头1通过光纤2连接至分光器3，分光器3连接系列波长的窄带滤光片4，将入射光分离为
个不同波段的光信号，再输入至对应的支路光纤，各支路光纤分别连接本支路的光衰减器5、光电转换器6，将本支路的光学信号转换为电压信号，
个支路的电压信号均传输至同一个数据采集设备7，再通过计算机8数据处理软件完成所有支路的电压信号处理，得到膨胀风洞加速段测点处气流温度随时间变化曲线；
S12.安装数据采集设备7的触发器，触发器以膨胀风洞的壁面压电传感器发送的电压信号为触发信号；
S2.根据流场条件选取各支路的窄带滤光片4的波段并配置对应的光衰减器5；
设各支路的光辐射亮度
符合黑体辐射理论：
式中，
为黑体温度；
为辐射波长；
，为第一辐射常数，单位
；
，为第二辐射常数，单位
；其中，W为能量单位，瓦；m为长度单位，米；K为开氏温度单位，开尔文；
根据风洞运行理论预测加速引导气流温度和有效试验气流温度，按上式计算辐射与波长的对应曲线，确定试验工况下气流的主要辐射波段，选取相应的窄带滤光片4；
根据试验工况的气流温度计算
得到的各波段辐射强度，对经窄带滤光片4分离的各波段选用衰减范围为5%～60%的光衰减器5，对强辐射波段增大衰减量，对弱辐射波段减小衰减量；
将膨胀风洞加速段内被测气体视为灰体，经分光、滤光为多个波长通道后，各通道测量的辐射亮度为：
式中，
，
为
波长的实测辐射亮度，
为波长
和温度
条件下的理论计算值，
为被测气体的发射率；
S3.进行试验前准备；
接通光电转换器6的电源，启动数据采集设备7，使测试装置处于等待触发状态；
S4.进行膨胀风洞试验；
膨胀风洞启动，上游激波管中形成的入射激波作用于压电传感器，压电传感器输出电压信号触发数据采集设备7开始采集，试验结束后，采集结束；
S5.进行试验数据处理；
计算
与
之间的差异
：
通过最小二乘法求取满足
取最小值时的发射率
和温度
，得到气流温度；计算机8数据处理软件综合各时刻采集的温度得到膨胀风洞加速段壁面测点即光学探头1所在位置的气流温度随时间变化曲线；根据气流温度随时间变化曲线识别加速引导气流和有效试验气流的分界，得到所需的膨胀风洞有效试验数据开始时间和结束时间，在开始时间和结束时间内进行气动数据分析工作。
进一步地，所述的光学探头1通过光学探头组件安装在膨胀风洞加速段壁面上，光学探头组件包括顶杆螺栓、光纤接头和密封垫；光学探头1加装密封垫后插入膨胀风洞加速段壁面上加工的与光学探头1形状匹配的通孔中，光学探头1的前端面与膨胀风洞加速段壁面平齐或者略低，无逆气流台阶；光学探头1的后端固定有光纤接头，光纤2插入光纤接头，与光学探头1中的光学部件建立光路；顶杆螺栓设置有外螺纹，通孔设置有与顶杆螺栓的外螺纹匹配的内螺纹，顶杆螺栓从上向下插入通孔并拧紧，实现顶杆螺栓前端顶紧并固定光学探头1，密封垫实现密封光学探头1。
进一步地，其特征在于，所述的光学探头1的光学元件采用MgF2玻璃。
进一步地，其特征在于，所述的光纤2为石英光纤，传输波长范围由紫光到近红外波段。
进一步地，其特征在于，所述的数据采集设备7为膨胀风洞配置的数据采集系统或者多通道示波器，数据采集频率为10MHz以上。
进一步地，其特征在于，所述的光纤2上套装有金属束护套管。
进一步地，其特征在于，所述的压电传感器为IEPE型压电传感器。
实施例1
本实施例中，光学探头1在250nm～5000nm波段透过率大于75%。N=6，分光器3分为6通道输出，6个通道分别采用600nm、950nm、1064nm、1152nm、1300nm和1480nm波段的窄带滤光片4进行滤光。各通道采用对应波段的光衰减器5，衰减10%～60%不等。光电转换器6输出的电压信号使用膨胀风洞配套的64通道超高速采集系统进行采集，采集频率为10MHz。压电传感器为IEPE型压电传感器。计算机8的数据处理软件为64通道超高速采集系统的配套软件。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.安装测试装置；
S11.在膨胀风洞加速段壁面安装光学探头（1），光学探头（1）通过光纤（2）连接至分光器（3），分光器（3）连接系列波长的窄带滤光片（4），将入射光分离为
个不同波段的光信号，再输入至对应的支路光纤，各支路光纤分别连接本支路的光衰减器（5）、光电转换器（6），将本支路的光学信号转换为电压信号，
个支路的电压信号均传输至同一个数据采集设备（7），再通过计算机（8）数据处理软件完成所有支路的电压信号处理，得到膨胀风洞加速段测点处气流温度随时间变化曲线；
数据采集设备（7）为膨胀风洞配置的数据采集系统或者多通道示波器，数据采集频率为10MHz以上；
S12.安装数据采集设备（7）的触发器，触发器以膨胀风洞的壁面压电传感器发送的电压信号为触发信号；压电传感器为IEPE型压电传感器；
S2.根据流场条件选取各支路的窄带滤光片（4）的波段并配置对应的光衰减器（5）；
设各支路的光辐射亮度
符合黑体辐射理论：
式中，
为黑体温度；
为辐射波长；
，为第一辐射常数，单位
；
，为第二辐射常数，单位
；其中，W为能量单位，瓦；m为长度单位，米；K为开氏温度单位，开尔文；
光学探头（1）在250nm～5000nm波段透过率大于75%；N=6，分光器（3）分为6通道输出，6个通道分别采用600nm、950nm、1064nm、1152nm、1300nm和1480nm波段的窄带滤光片（4）进行滤光；
根据风洞运行理论预测加速引导气流温度和有效试验气流温度，按上式计算辐射与波长的对应曲线，确定试验工况下气流的主要辐射波段，选取相应的窄带滤光片（4）；
根据试验工况的气流温度计算
得到的各波段辐射强度，对经窄带滤光片（4）分离的各波段选用衰减范围为5%～60%的光衰减器（5），对强辐射波段增大衰减量，对弱辐射波段减小衰减量；
将膨胀风洞加速段内被测气体视为灰体，经分光、滤光为多个波长通道后，各通道测量的辐射亮度为：
式中，
，
为
波长的实测辐射亮度，
为波长
和温度
条件下的理论计算值，
为被测气体的发射率；
S3.进行试验前准备；
接通光电转换器（6）的电源，启动数据采集设备（7），使测试装置处于等待触发状态；
S4.进行膨胀风洞试验；
膨胀风洞启动，上游激波管中形成的入射激波作用于压电传感器，压电传感器输出电压信号触发数据采集设备（7）开始采集，试验结束后，采集结束；
S5.进行试验数据处理；
计算
与
之间的差异
：
通过最小二乘法求取满足
取最小值时的发射率
和温度
，得到气流温度；计算机（8）数据处理软件综合各时刻采集的温度得到膨胀风洞加速段壁面测点即光学探头（1）所在位置的气流温度随时间变化曲线；根据气流温度随时间变化曲线识别加速引导气流和有效试验气流的分界，得到所需的膨胀风洞有效试验数据开始时间和结束时间，在开始时间和结束时间内进行气动数据分析工作；
所述的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法利用膨胀风洞加速段流动特性，在8km/s的气流速度下，加速引导气流温度6000K，有效试验气流温度800K，两者气流温度的差异引起自发光辐射的差异，通过光辐射测量能够获得测点处气流温度变化，对先后经过光学探头的加速引导气流和有效试验气流予以区分，辅助判断有效试验时间。
2.根据权利要求1所述的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，其特征在于，所述的光学探头（1）通过光学探头组件安装在膨胀风洞加速段壁面上，光学探头组件包括顶杆螺栓、光纤接头和密封垫；光学探头（1）加装密封垫后插入膨胀风洞加速段壁面上加工的与光学探头（1）形状匹配的通孔中，光学探头（1）的前端面与膨胀风洞加速段壁面平齐或者略低，无逆气流台阶；光学探头（1）的后端固定有光纤接头，光纤（2）插入光纤接头，与光学探头（1）中的光学部件建立光路；顶杆螺栓设置有外螺纹，通孔设置有与顶杆螺栓的外螺纹匹配的内螺纹，顶杆螺栓从上向下插入通孔并拧紧，实现顶杆螺栓前端顶紧并固定光学探头（1），密封垫实现密封光学探头（1）。
3.根据权利要求1所述的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，其特征在于，所述的光学探头（1）的光学元件采用MgF2玻璃。
4.根据权利要求1所述的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，其特征在于，所述的光纤（2）为石英光纤，传输波长范围由紫光到近红外波段。
5.根据权利要求1所述的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的试验方法，其特征在于，所述的光纤（2）上套装有金属束护套管。
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