CN113959676A

CN113959676A - 一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法

Info

Publication number: CN113959676A
Application number: CN202111182309.3A
Authority: CN
Inventors: 张传鸿; 史志伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明公开了一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法，包括二氧化碳注入装置、激光照明系统及图像采集系统，二氧化碳注入装置用于为风洞提供二氧化碳，该二氧化碳在风洞内加速膨胀并发生相变，在测试区域冷凝成冰晶，以显示瑞利散射流动；激光照明系统用于提供激光片光，照亮风洞测试区域的流动；图像采集系统用于拍摄所述测试区域的流动。本发明通过在来流中添加二氧化碳来提高流动的信噪比，能够对高超声速流动进行直观显示。

Description

一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法

技术领域

本发明涉及流体力学流动观察测量技术领域，具体为一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法。

背景技术

高超声速飞行器具有重要应用价值，如何获取高超声速飞行器周围的流动结构，对其进行精细的流动显示，对获取高超声速飞行器的气动特性极其重要。目前对高超声速飞行器周围流动结构的实验观测，主要采用两种方法，一种是传统的纹影、阴影等方法，纹影是基于密度梯度的函数，阴影方法是基于密度梯度的二阶导数，这些方法对密度梯度大的区域，如激波等捕捉特别精确，对密度梯度变化小的显示不清，且光学测试器件价格昂贵，光路布置和调节比较复杂；另一种方法是基于纳米颗粒的平面激光散射技术(NPLS)，这种方法通过在来流中添加二氧化钛等固体纳米颗粒来提高流动的信噪比，以获取精细的超声速流动结构。然而，对于高超声速静风洞等，为提高静流动的来流总压，需要尽可能的延迟边界层转捩，进而抑制湍流边界层辐射的马赫波对测试区域的干扰。通常情况下，粗糙度将会促进边界层转捩，因此，为减小粗糙度对转捩的影响，高超声速静风洞要求喷管壁面光滑如镜面，而二氧化钛固体颗粒在高速流动情况下，将会划伤喷管壁面，进而影响高超声速静风洞的性能参数。其次，二氧化钛纳米颗粒很容易发生聚团，严重影响粒子的跟随性问题，使获取的流动显示结果不准确。同时，对于高超声速风洞实验，来流总温总压都很高，需要设计或购置专门的粒子发生器，这就极大增加了测试设备成本。此外，二氧化钛纳米颗粒体积小，对人体有危害，不环保。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法，以实现对高超声速流动进行直观显示。

一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，包括二氧化碳注入装置、激光照明系统及图像采集系统，二氧化碳注入装置用于为风洞提供二氧化碳，该二氧化碳在风洞内加速膨胀并发生相变，在测试区域冷凝成冰晶，以显示瑞利散射流动；激光照明系统用于提供激光片光，照亮风洞测试区域的流动；图像采集系统用于拍摄所述测试区域的流动。

作为优选，二氧化碳注入装置管道连接风洞加热器，并向该风洞加热器输送二氧化碳，该二氧化碳在所述风洞加热器中加热后通过管道输入风洞测试区域，用于增强测试区域的流动显示。

作为优选，二氧化碳注入装置通过注入孔将二氧化碳注射进风洞加热器中，注入孔设于该风洞加热器的上游，以使注入的二氧化碳与风洞主流气体混合均匀。

作为优选，二氧化碳注入装置包括依次连接的二氧化碳储气瓶、截止阀、电磁减压阀以及流量计。二氧化碳储气瓶用于提供二氧化碳气源；电磁减压阀用于将二氧化碳储气瓶内的压力减压至风洞试验所需压力并可以将二氧化碳气体注入风洞；流量计用于检测二氧化碳气体的注入风洞的流量。

作为优选，二氧化碳注入装置还包括两个压力表，分别设于电磁减压阀的输入和输出管道处，以检测电磁减压阀减压前后管道内的气体压力。

作为优选，激光照明系统包括依次通过导光臂连接的脉冲激光器、半波片和透镜组，脉冲激光器提供激光光源，激光光源经半波片调节后通过透镜组扩散为激光片光，照亮风洞测试区域流场。导光臂用于将改变激光传播方向；透镜组用于将激光光束扩散为激光片光，照亮风洞测试区域流场；半波片用于对激光的偏振方向进行调节，以获取测试区域最佳的流动显示图片。

作为优选，脉冲激光器发出的激光光源波长为532nm，远大于二氧化碳冰晶粒子直径。

作为优选，图像采集系统包括CCD相机和同步控制器，所述CCD相机拍摄所述测试区域，所述同步控制器电性连接脉冲激光器、电磁减压阀和CCD相机，以实现脉冲激光器、电磁减压阀和CCD相机的同步控制。

本发明还公开了一种基于瑞利散射的高超声速流动显示方法，包括以下步骤：步骤1，试验开始前，旋转半波片以调节激光的偏振方向，以获取测试区域清晰的瑞利散射流动显示图片。步骤2，正式实验时，开启风洞，而后开启截止阀，通过同步控制器同步控制电磁减压阀；当风洞流场建立后，开启CCD相机对测试区域进行拍摄，获取流动显示图像；CCD相机通过同步控制器自动控制激光照明系统发出激光；当风洞停止运行后，CCD相机停止拍摄，关闭二氧化碳储气瓶输入口的截止阀，试验结束。

作为优选，步骤1具体为：步骤1.1，开启截止阀，将二氧化碳从二氧化碳储气瓶注入到风洞中，开启CCD相机进行拍摄。步骤1.2，开启激光器，沿半波片的轴线旋转该半波片，调节激光偏振方向，并通过相机观测粒子散射强度。步骤1.3，找到粒子散射光强的极大值，此时固定半波片的位置，调试完成，之后的实验中无需再对半波片进行调节。

有益效果：

(1)本发明基于瑞利散射的高超声速流动显示方法属于对流场的一种光学测量方法，使用的测试设备对高超声速流动没有任何干扰；

(2)本发明在来流中加入了少量二氧化碳以提高瑞利散射图像信噪比，只需额外在激光器出口增加一个半波片对激光偏振方向进行调节，以获取流动显示图像最好的信噪比；

(3)本发明的图像采集系统采用普通CCD相机即可，不需要价格昂贵的高速相机即可实现发明目的；

(4)本发明采用的装置及方法相较于纹影等基于密度梯度变化的显示方法，可以实现对高超声速流动结构的直接显示；相较于二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒，本发明作为示踪粒子的为二氧化碳(CO₂)，价格便宜，对人体没有任何伤害，且跟随性好，不需要考虑粒子聚团等效应；

(5)本发明采用的方法操作简单，将市面上二氧化碳气瓶通过简单的管道连接接入到风洞管道即可，不要额外加工设计购置价格昂贵的专门的粒子发生器；本发明采用的装置调试简单，通过在激光光源出口处增加半波片来调节激光偏振方向即可获得清晰的高超声速流动显示图片，解决了目前高超声速飞行器周围流场难以进行精细测量的问题，为开展高超声速流动结构观测及相关流动机理研究等提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一个实施例的基于瑞利散射的高超声速流动显示方法的示意图；

图2为本发明一个实施例的高超声速湍流边界层瑞利散射流动显示图片。

附图标记：1-二氧化碳储气瓶，2-电磁减压阀，3-压力表，4-流量计，5-风洞加热器，6-风洞稳定段，7-喷管，8-脉冲激光器，9-导光臂，10-透镜组，11-半波片，12-相机拍摄区域，13-CCD相机，14-同步控制器，15-截止阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置及方法，实现对高超声速流动的直观显示。针对高超声速风洞中流场密度低、流动显示信噪比低等问题，通过在来流中添加二氧化碳(CO₂)来提高流动的信噪比。解决了以往只能通过纹影等获取流动结构引起较大密度梯度的流场信息而无法对密度梯度小的流动进行直接测量的问题。解决了NPLS技术中粒子跟随性问题，而且，只要控制二氧化碳加入量占来流气流的摩尔百分比应小于1％，不仅可以获得清晰的流动显示图片，而且对高超声速边界层流动不会产生任何的干扰。该方法不需要额外的粒子发生器，只需要简单的将二氧化碳气瓶与风洞管路连接即可，设备成本低，调试及测试简单。

结合附图1，一种基于瑞利散射的超高声速流动显示装置，包括二氧化碳注入装置、激光照明系统及图像采集系统。

二氧化碳注入装置用于对风洞添加二氧化碳，由于气体在经过喷管后发生剧烈膨胀，试验段温度通常只有几十开尔文，较低的温度使得空气中的二氧化碳气体发生气相变化冷凝形成颗粒状。由于气体分子直径很小，形成了真正纳米量级的颗粒二氧化碳将变为冰晶状，经过激光照射，相机中可以得到清晰的流动结构。二氧化碳注入装置具体包括依次管道连接的二氧化碳储气瓶1、压力表3、截止阀15、电磁减压阀2、压力表3及流量计4。二氧化碳储气瓶1用于提供二氧化碳气源，二氧化碳储气瓶1通过注入孔将二氧化碳气源注入风洞，注入孔位于风洞加热器5的上游，以使注入的二氧化碳与风洞主流气体混合更加均匀，风洞加热器5加热注入的二氧化碳，输出至风洞稳定段6，经由喷管7用于增强测试区域12的流动显示。电磁减压阀2用于将二氧化碳储气瓶1内的压力减压至风洞试验所需压力并可以将二氧化碳气体注入风洞。压力表3数量为两个，分别设于电磁减压阀2的输入、输出管道，分别用于检测电磁减压阀2减压前后管道内的气体压力。流量计4用于检测二氧化碳气体的注入风洞的流量。二氧化碳储气瓶1内存储二氧化碳纯度为99.99％，二氧化碳在风洞喷管7内加速膨胀过程中迅速发生相变，在测试区域12冷凝成纳米量级的冰晶，用于显示瑞利散射流动。

激光照明系统包括脉冲激光器8、导光臂9、透镜组10及半波片11。脉冲激光器8用于提供激光光源，其发出的激光的波长通常为532nm，远大于二氧化碳冰晶粒子直径，散射方式属于瑞利散射。导光臂9连接脉冲激光器8以及透镜组10，用于将改变激光传播方向。透镜组10用于将激光光束扩散为激光片光，照亮风洞测试区域流场12。半波片11用于对激光的偏振方向进行调节，以获取测试区域12最佳的流动显示图片。

图像采集系统包括CCD相机13及同步控制器14。CCD相机13用于对测试区域12流动进行拍摄，该相机可以为普通的CCD相机，可以低成本地实现本发明的目的；该相机也可以为高频激光器和高速相机，可以获取时间相关的流动显示图像。同步控制器14电性连接将相机13、激光器8及二氧化碳储气瓶1出口处的电磁减压阀2，以实现上述三种装置的同步控制。CCD相机13采集时间相对于电磁减压阀2开启时间有所延迟，以保证混合均匀的气体进入测试区域12并完成流场的建立。

本发明还公开了一种基于瑞利散射的超高声速流动显示方法，该方法可以实现对高超声速流动进行精细观察测量，包括以下步骤：

步骤1，在试验正式开始前，通过旋转半波片11来调节激光的偏振方向，以获取测试区域12清晰的瑞利散射流动显示图片。具体为，

步骤1.1，开启风洞，开启截止阀15，根据流量计4调节电磁减压阀2，将二氧化碳注入到风洞中；开启CCD相机13进行拍摄。

步骤1.2，开启激光器8，沿半波片轴线旋转半波片11，调节激光偏振方向，并通过相机13观测粒子散射强度。

步骤1.3，在调节过程中，可以发现粒子散射光强有两个极大值，在该位置处，图片信噪比最高，流动结构(激波)最清晰。当粒子散射光最强时，固定半波片11的位置，调试完成。

在此后的试验过程中，不需要再对半波片进行调节。

步骤2，正式试验时，开启风洞，而后开启截止阀15，可以通过同步控制器14控制电磁减压阀2。由风洞自身设备(压力曲线等)检测评判是否建立，当风洞流场建立后，开启相机13对测试区域12进行拍摄，获取流动显示图像。相机13通过同步控制器14自动控制激光器8发出激光，无需人为干涉启动激光器。当风洞停止运行后，相机13停止拍摄；关闭截止阀15，试验结束。

试验结束后，不需要将设备拆除，只需在风洞添加示踪粒子，就可以开展PIV试验。

如图2所示为采用该技术获取的高超声速湍流边界层瑞利散射流动显示图片，需要说明的是，对于超声速风洞，由于风洞试验段气体密度相对较大，只需要在风洞中注入少量甚至不必注入额外的二氧化碳，只需通过半波片11调节激光偏振方向，就可以获得清晰的流动显示图片。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：包括二氧化碳注入装置、激光照明系统及图像采集系统，

所述二氧化碳注入装置用于为风洞提供二氧化碳，该二氧化碳在风洞内加速膨胀并发生相变，在测试区域冷凝成冰晶，以显示瑞利散射流动；

所述激光照明系统用于提供激光片光，照亮风洞测试区域的流动；

所述图像采集系统用于拍摄所述测试区域的流动。

2.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述二氧化碳注入装置管道连接风洞加热器，并向该风洞加热器输送二氧化碳，该二氧化碳在所述风洞加热器中加热后通过管道输入风洞测试区域，用于增强测试区域的流动显示。

3.根据权利要求2所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述二氧化碳注入装置通过注入孔将二氧化碳注射进风洞加热器中，所述注入孔设于该风洞加热器的上游，以使注入的二氧化碳与风洞主流气体混合均匀。

4.根据权利要求3所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述二氧化碳注入装置包括依次连接的二氧化碳储气瓶、截止阀、电磁减压阀以及流量计。

5.根据权利要求4所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述二氧化碳注入装置还包括两个压力表，分别设于电磁减压阀的输入和输出管道处，以检测电磁减压阀减压前后管道内的气体压力。

6.根据权利要求1或5所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述激光照明系统包括依次通过导光臂连接的脉冲激光器、半波片和透镜组，所述脉冲激光器提供激光光源，激光光源经半波片调节后通过透镜组扩散为激光片光，照亮风洞测试区域流场。

7.根据权利要求6所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述脉冲激光器发出的激光光源波长为532nm，大于二氧化碳冰晶粒子直径。

8.根据权利要求6所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置，其特征在于：所述图像采集系统包括CCD相机和同步控制器，所述CCD相机拍摄所述测试区域，所述同步控制器电性连接脉冲激光器、电磁减压阀和CCD相机，以实现脉冲激光器、电磁减压阀和CCD相机的同步控制。

9.根据权利要求8所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置的显示方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，试验开始前，旋转半波片以调节激光的偏振方向，以获取测试区域清晰的瑞利散射流动显示图片；

步骤2，正式实验时，开启风洞，而后开启截止阀，通过同步控制器同步控制电磁减压阀；当风洞流场建立后，开启CCD相机对测试区域进行拍摄，获取流动显示图像；CCD相机通过同步控制器自动控制激光照明系统发出激光；当风洞停止运行后，CCD相机停止拍摄，关闭二氧化碳储气瓶输入口的截止阀，试验结束。

10.根据权利要求9所述的基于瑞利散射的高超声速流动显示装置的显示方法，其特征在于：所述步骤1具体为：

步骤1.1，开启截止阀，将二氧化碳从二氧化碳储气瓶注入到风洞中，开启CCD相机进行拍摄；

步骤1.2，开启激光器，沿半波片的轴线旋转该半波片，调节激光偏振方向，并通过相机观测粒子散射强度；

步骤1.3，找到粒子散射光强的极大值，此时固定半波片的位置，调试完成，之后的实验中无需再对半波片进行调节。