CN114486160B - 一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，首先通过高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像，根据流场纹影图像确定测量点后，通过发射光谱采集系统获得光谱信息，进而根据光谱信息得到分子振动温度和分子转动温度，通过对比分子振动温度和分子转动温度即可辨识该测量点处的流场是否处于热化学非平衡状态。本发明实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程。

Description

一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法

技术领域

本发明涉及一种用于高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，属于高焓流场参数诊断领域。

背景技术

随着飞行器不断向超高速方向发展，在超高速飞行条件下，飞行器周围气体焓值急剧上升。这使得飞行器周围气体发生振动激发、离解、电离和化学反应等现象，并伴随一定的热化学非平衡现象，致使气体物理参数发生改变，影响飞行安全。因此，需要地面模拟分析过程。

利用高焓激波风洞产生的高焓流场可以模拟出较高的流场速度和流场焓值，并且该流场存在一定程度的热化学非平衡。因此，如何辨识和分析高焓流场中的热化学非平衡现象尤为重要。

传统的测试测量技术由于存在干扰流场、分辨率低等缺点，无法有效测量诊断上述过程。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，首先通过高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像，根据流场纹影图像确定测量点后，通过发射光谱采集系统获得光谱信息，进而根据光谱信息得到分子振动温度和分子转动温度，通过对比分子振动温度和分子转动温度即可辨识该测量点处的流场是否处于热化学非平衡状态。本发明实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，包括以下步骤：

S1搭建采集频率为2000fps以上的高速纹影系统；

S2在高焓风洞中通入驱动气，利用高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像；

S3根据流场纹影图像，在高焓风洞中选择热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，并在测量区域中确定n个测量点，n≥2；

S4搭建发射光谱采集系统；所述发射光谱采集系统中包括n个准直器，n个准直器的收光区域分别覆盖n个测量点；

S5利用发射光谱采集系统采集各测量点处的发射光谱信息；

S6根据各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r；

S7对比同一测量点的T_v和T_r，如果T_v＝T_r，则判断该测量点处处于热化学平衡状态，否则判断该测量点处处于热化学非平衡状态。

进一步的，所述步骤S1或S2中，高速纹影系统包括高速相机5，激光器6，纹影镜组7和石英窗口8；所述高速相机5的采集频率为2000fps以上，像素4百万以上；

石英窗口8为两个，分别设于两侧的高焓风洞壁上，记为第一石英窗口和第二石英窗口；纹影镜组7为两组，第一纹影镜组和第二纹影镜组分别设置于第一石英窗口和第二石英窗口外侧；激光器6发射的激光经第一纹影镜组发生扩散和反射后变为平行光，所述平行光依次经过第一石英窗口、高焓风洞内部和第二石英窗口到达第二纹影镜组，并通过高速相机5捕获后，得到高焓风洞的流场纹影图像；

所述步骤S2中，高焓风洞内部流场为均匀流场。

进一步的，所述步骤S2中，驱动气包括能够发生能级跃迁的任意双原子分子气体。

进一步的，所述步骤S3中，高焓风洞中热化学非平衡状态发生概率最大的区域为流场纹影图像中激波波头位置和激波波后位置所对应区域；

所述步骤S3中，测量点至少包括一个位于激波波头位置所对应区域中的测量点，和一个在位于激波波后位置所对应区域中的测量点。

进一步的，所述步骤S4或S5中，发射光谱采集系统还包括n台多通道光谱仪1，n组传输光纤2；

测量点处驱动气的分子发射光由准直器3接收后，经传输光纤2进入多通道光谱仪1，多通道光谱仪1将接收到的光信号转化为各个波长下的辐射强度值，即发射光谱信息。

进一步的，所述步骤S7中，如果T_v和T_r的差值≤5％T_v，则认为T_v＝T_r。

进一步的，所述步骤S6中，根据经平滑、标准正态变量变换和基线校正后的各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r。

进一步的，所述高焓风洞的流场温度为2500K以上；

进一步的，所述步骤S6中，根据各测量点处的发射光谱信息，利用LIFBASE软件得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r，具体方法为，在LIFBASE软件中不断调整振动温度和转动温度，当通过LIFBASE软件模拟计算得到的光谱与步骤S5所得光谱信息的均方差最小时，得到目标分子振动温度T_v和分子转动温度T_r。

进一步的，所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息进行平滑处理的方法如下：

选择具有奇数个波长点的窗口，记窗口的波长点为2ω+1，ω代表窗口半宽；

用窗口内中心波长点k及窗口内前后点测量值的平均值

代替波长点的测量值

i代表各波长位置，i≥1：

所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息中某一条谱线进行标准正态变量变换的方法如下：

其中x_i为波长i位置处的测量值，

为整个光谱曲线的平均值，n为整条光谱曲线的总波长个数。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创新性的提出一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，基于射光谱理论，结合高速纹影系统和发射光谱采集系统实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程；

(2)本发明一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，针对高焓流场的特征，采用高速纹影系统确定了热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，简化了测试过程，提高了识别效率；

(3)本发明一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，适用于风洞驱动气为能够发生能级跃迁的所有气体的情况，具有广泛的应用前景；

(4)本发明对发射光谱信息经平滑、标准正态变量变换和基线校正等优化手段后，得到用于热化学非平衡辨识的分子振动温度和分子转动温度，提高了分析准确性。

附图说明

图1为本发明发射光谱采集系统和高速纹影系统示意图；

图中：1-多通道光谱仪，2-传输光纤，3-准直器，4-工作站，5-高速相机，6-激光器，7-纹影镜组，8-石英窗口。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

传统测试测量方法无法有效辨识高焓流场热化学非平衡状态，发射光谱法相较于传统测量方法，测量方法比较简单，装置简单，灵敏度高、响应迅速、对流场完全没有干扰。尽管发射光谱具有以上优点，但定量分析还存在较大困难。相对于其他光谱有目的、有针对性的对某种粒子或某个波长的光谱进行研究不同，发射光谱实验中采集到的光谱是多种粒子、多种跃迁相互叠加的结果，同时也是温度、组分浓度和仪器等多种因素影响的结果。因此，现有方法需要通过整个波段的理论计算光谱和实验光谱比较来确定流场参数。

本发明结合发射光谱理论，提出了一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，结合发射光谱原理，将光谱信息计算处理得到不同类型的温度信息，比较各温度信息，并结合流场图像，可以对高焓流场的热化学非平衡状态进行辨识和分析。

本发明高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，以分子发射光谱理论为基础。在高温高压状态下，部分流场分子处于激发态。在流动冷却等因素干扰下，处于激发态的分子向基态跃迁，该过程伴随光子的释放，形成发射光谱。高温环境下分子由高能级跃迁到低能级产生相应光谱谱线，其谱线强度

的表达式为：

其中，h为普朗克常数，，

为跃迁波数，v'j'为高振动转动能级，v”j”为低振动-转动能级，/>

为爱因斯坦辐射跃迁概率，N_v'j'为高能级粒子布局数，其表达式为：

式中，N₀为总粒子数，k为玻尔兹曼常数，g_e为电子态简并度，T_e、T_v和T_r分别为电子态、振动态和转动态的温度，E_e、E_v和E_r分别为电子态、振动态和转动态的能量，Q_e、Q_v和Q_r分别为电子态、振动态和转动态的配分函数。j’为高能级量子数。相关参数可由美国国家标准技术研究所数据库和相关文献得到。

通过上述理论采集分析不同波数(即波长)下的光谱强度可以得到流场参数。

因此通过以下步骤，可以实现高焓流场热化学非平衡状态的辨识和分析，如图1，下文所述的高焓流场热化学非平衡辨识分析方法中，以2个测量点为例：

1.依托高焓风洞搭建高速纹影系统。该系统主要包括：高速相机5(4百万像素以上，采集频率2000fps以上)、高能激光器6、纹影镜组7、石英窗口8，在一种优选的实施方式中，还包括用于数据处理的工作站4；纹影镜组7分布在高焓风洞试验段两侧，高能激光器6发出的激光经一侧的纹影镜组7扩散反射后变为平行光，通过石英窗口8照亮流场均匀区，该光经过流场均匀区后通过另一侧的石英窗口8被另一侧纹影镜组7接收汇聚，最后被高速相机5捕获到。

2.利用高速纹影系统进行流场显示试验，选择双原子分子气体(例如氮气)为高焓风洞驱动气，得到流场纹影图像；

3.选择流场纹影图像中激波波头位置和激波波后位置所对应的高焓风洞区域作为测量区域，分别在两区域中选择2个测量点；

4.依托高焓风洞搭建发射光谱采集系统，该系统主要包括：两台多通道光谱仪1、两组传输光纤2、两个准直器3，在一种优选的实时方式中，还包括用于光谱处理的工作站4。准直器3接收到光后经传输光纤2进入多通道光谱仪1中，多通道光谱仪1将接收到的整体光信号转化为各个波长下的辐射强度值，即光谱信息。

5.利用发射光谱采集系统进行发射光谱诊断试验，设置2个准直器的收光区域分别覆盖2个测量点，其他试验设置与步骤2相同，得到各测量点处的发射光谱信息；

6.将步骤5得到的光谱信息进行光谱预处理，对光谱数据进行基线校正，提高灵敏度。

7.将预处理后的光谱数据根据双原子分子带系发射光谱理论，利用LIFBASE软件分析得到分子振动温度和分子转动温度。

8.对比同一测量点的振动温度和转动温度。若两温度相等则该测量点处于热化学平衡状态，否则可认为该测量点处于热化学非平衡状态。根据两测量区域的热化学状态，分析热化学过程。

在一种优选的实施方式中，高焓风洞流场温度在2500K以上。

在一种优选的实施方式中，多通道光谱仪1需要预先通过标准辐射光源标定。

在一种优选的实施方式中，步骤6中，光谱预处理包括：平滑和标准正态变量变换。

采集到的光谱信息经过预处理过程，虽然一定程度上优化了光谱信息，但是该光谱信息仍是多种粒子、多种跃迁相互叠加的结果，同时也是温度、组分浓度和仪器等多种因素影响的结果。因此，不能简单地以某个波长的光强来对应某种测量信息，需要通过整个波段的理论计算光谱和实验光谱比较来确定流场参数。在一种优选的实施方式中，步骤7中，LIFBASE软件分析方法具体为，将预处理过后的光谱数据导入LIFBASE软件中，设置相关常数，不断调整振动温度、转动温度，当模拟计算得到的光谱与实验测得光谱的均方差最小时，记下此时的振动温度和转动温度，即为目标振动温度、转动温度。

由光谱仪得到的信号除了有用的信息以外还含有叠加的随机误差，为了提高光谱信噪比、抑制或者消除信号的随机噪声，常用平滑的的方法去除噪声。在一种优选的实施方式中，步骤6中，平滑预处理方法为选择一个具有一定宽度的平滑窗口(2ω+1)，每个窗口有奇数个波长点，用窗口内中心波长点k及窗口内前后点测量值的平均值代替该波长点k的测量值，其表达是为：

利用标准正态变量变换可以消除光谱信号中表面散射、固体颗粒大小以及光程变化引起的斜率变化等影响。标准正态变量变换预处理方法为，假设光谱中各波长位置i对应的强度值x满足一定的分布来对光谱进行校正。从原光谱中减去该光谱的平均值

再除以该光谱数据的标准偏差即光谱数据标准正态化，其表达为：

其中x_i为波长i位置处的测量值，n为整条光谱曲线的总波长个数。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

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)

1.一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1搭建采集频率为2000fps以上的高速纹影系统；

S2在高焓风洞中通入驱动气，利用高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像；

S3根据流场纹影图像，在高焓风洞中选择热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，并在测量区域中确定n个测量点，n≥2；

S4搭建发射光谱采集系统；所述发射光谱采集系统中包括n个准直器，n个准直器的收光区域分别覆盖n个测量点；

S5利用发射光谱采集系统采集各测量点处的发射光谱信息；

S6根据各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r；

S7对比同一测量点的T_v和T_r，如果T_v＝T_r，则判断该测量点处处于热化学平衡状态，否则判断该测量点处处于热化学非平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S1或S2中，高速纹影系统包括高速相机5，激光器6，纹影镜组7和石英窗口8；所述高速相机5的采集频率为2000fps以上，像素4百万以上；

石英窗口8为两个，分别设于两侧的高焓风洞壁上，记为第一石英窗口和第二石英窗口；纹影镜组7为两组，第一纹影镜组和第二纹影镜组分别设置于第一石英窗口和第二石英窗口外侧；激光器6发射的激光经第一纹影镜组发生扩散和反射后变为平行光，所述平行光依次经过第一石英窗口、高焓风洞内部流场均匀区和第二石英窗口到达第二纹影镜组，并通过高速相机5捕获后，得到高焓风洞的流场纹影图像。

3.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，驱动气包括能够发生能级跃迁的任意双原子分子气体。

4.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，高焓风洞中热化学非平衡状态发生概率最大的区域为流场纹影图像中激波波头位置和激波波后位置所对应区域；

所述步骤S3中，测量点至少包括一个位于激波波头位置所对应区域中的测量点，和一个在位于激波波后位置所对应区域中的测量点。

5.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S4或S5中，发射光谱采集系统还包括n台多通道光谱仪1，n组传输光纤2；

测量点处驱动气的分子发射光由准直器3接收后，经传输光纤2进入多通道光谱仪1，多通道光谱仪1将接收到的光信号转化为各个波长下的辐射强度值，即发射光谱信息。

6.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S7中，如果T_v和T_r的差值≤5％T_v，则认为T_v＝T_r。

7.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据经平滑、标准正态变量变换和基线校正后的各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r。

8.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述高焓风洞的流场温度为2500K以上。

9.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据各测量点处的发射光谱信息，利用LIFBASE软件得到各测量点处驱动气的分子振动温度T_v和分子转动温度T_r，具体方法为，在LIFBASE软件中不断调整振动温度和转动温度，当通过LIFBASE软件模拟计算得到的光谱与步骤S5所得光谱信息的均方差最小时，得到目标分子振动温度T_v和分子转动温度T_r。

10.根据权利要求7所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息进行平滑处理的方法如下：

选择具有奇数个波长点的窗口，记窗口的波长点为2ω+1，ω代表窗口半宽；

用窗口内中心波长点k及窗口内前后点测量值的平均值

代替波长点的测量值/>

i代表各波长位置，i≥1：

所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息中某一条谱线进行标准正态变量变换的方法如下：

其中x_i为波长i位置处的测量值，

为整个光谱曲线的平均值，n为整条光谱曲线的总波长个数。

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