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        帶噴流的超聲速光學(xué)頭罩流動(dòng)顯示

        2013-11-05 06:55:40朱楊柱易仕和田立豐
        關(guān)鍵詞:頭罩噴流超聲速

        朱楊柱 易仕和 田立豐 陳 植

        (國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,長沙410073)

        成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在大氣中作超聲速飛行時(shí),速度越高,其光學(xué)頭罩受到的氣動(dòng)加熱越嚴(yán)重.這不僅給光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度與剛度帶來不利影響,還會(huì)引起一系列的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng),降低目標(biāo)分辨率,增大導(dǎo)彈的瞄視誤差,因此必須對光學(xué)頭罩的窗口進(jìn)行冷卻[1].在窗口上表面射入冷卻噴流,形成氣膜以將外部熱氣流與窗口隔開,是光學(xué)窗口的冷卻方式之一.引入噴流后,超聲速光學(xué)頭罩流場結(jié)構(gòu)勢必變得更為復(fù)雜,流場中同時(shí)出現(xiàn)激波、層流邊界層、湍流邊界層、超超混合層等復(fù)雜結(jié)構(gòu),造成更為嚴(yán)重的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng).為揭示有無噴流的超聲速光學(xué)頭罩流場引起的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)機(jī)理,獲得其流場精細(xì)結(jié)構(gòu)就十分必要.傳統(tǒng)的流動(dòng)顯示方法如紋影方法[2],存在時(shí)間分辨率和空間分辨率較低的缺點(diǎn),且具有積分效應(yīng);干涉方法[2],則成本太高并且易受外界環(huán)境干擾的影響;激光誘導(dǎo)熒光(LIF,Laser Induced Fluorescent)方法[3]是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種非接觸式流動(dòng)測試方法,可以用于高速流動(dòng)和大速度梯度的流場測試,但是存在信噪比較低的問題.這些方法難以滿足精確測量和分析流場精細(xì)結(jié)構(gòu)的要求;故而本文選擇具有高時(shí)空分辨率的基于納米示蹤的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技術(shù).

        NPLS技術(shù),是近年來發(fā)展的一種新型流動(dòng)顯示技術(shù),可實(shí)現(xiàn)空間尺度微米到米量級(jí)、時(shí)間尺度納秒量級(jí)、時(shí)間相關(guān)尺度微秒到秒量級(jí)的流動(dòng)顯示與測量.NPLS技術(shù)發(fā)展至今,已成功應(yīng)用于超聲速混合層[4]、超聲速繞流[5]、超聲速射流等多種超聲速流場的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究,能夠清晰地再現(xiàn)超聲速流場中激波、膨脹波、混合層、馬赫盤、滑移線和尾跡等流場精細(xì)結(jié)構(gòu)[6-7].

        1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件

        1.1 超聲速風(fēng)洞及實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/h3>

        本實(shí)驗(yàn)在KD-03超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行,其示意圖如圖1所示.該風(fēng)洞是一座吸氣式直連風(fēng)洞,風(fēng)洞下游與真空罐相連,氣源為經(jīng)過干燥除塵的大氣,實(shí)驗(yàn)段馬赫數(shù)為3.8,截面尺寸為100 mm×120 mm,四周鑲嵌光學(xué)玻璃,便于觀測.

        圖1 KD-03超聲速風(fēng)洞

        圖2所示為本實(shí)驗(yàn)所用的模型示意圖.模型是一個(gè)半球錐體,在頭部按照噴管型面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)小噴管,能夠緊貼窗口上表面噴入均勻超聲速氣流,噴流流動(dòng)方向與窗口上表面平行,噴管出口高度為3mm.噴流氣源為風(fēng)洞穩(wěn)定段氣體,通過設(shè)計(jì)的總壓調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)噴流出口靜壓,噴流總壓最高為0.1 MPa.

        圖2 模型示意圖

        1.2 NPLS系統(tǒng)簡介

        圖3為NPLS系統(tǒng)的示意圖.該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、CCD相機(jī)、納米粒子發(fā)生器、同步控制器和Nd:YAG雙腔脈沖激光器.系統(tǒng)選用的示蹤粒子為跟隨性良好的納米級(jí)粒徑粒子.激光器脈沖時(shí)間為6ns,脈沖能量為350mJ,波長為532 nm[8],激光經(jīng)透鏡組形成片光,片光厚度最小可達(dá)0.5 mm[9].實(shí)驗(yàn)采用行間傳輸?shù)碾p曝光 CCD,雙曝光時(shí)間間隔最小為0.2 μs,分辨率為2 048像素×2048像素,灰度級(jí)達(dá)4096.CCD和片光光源由同步控制器控制,兩次脈沖片光照射下的流場中粒子的光散射信號(hào)分別記錄在CCD的兩次曝光時(shí)間內(nèi),得到時(shí)間相關(guān)的兩幅 NPLS圖像[5,10].

        圖3 NPLS系統(tǒng)示意圖

        2 流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究

        本文對帶噴流的超聲速光學(xué)頭罩對稱面內(nèi)流場進(jìn)行了流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究,為便于比較分析,設(shè)計(jì)了3種實(shí)驗(yàn)狀態(tài),即無噴流、噴流出口壓力大于外流壓力、噴流出口壓力與外流壓力匹配.3種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)分別完成于不同的實(shí)驗(yàn)車次,各狀態(tài)下來流參數(shù)一致,馬赫數(shù) Ma∞=3.8,總壓 P0=0.1 MPa,總溫T0=300 K,噴流馬赫數(shù)Maj=2.5.實(shí)驗(yàn)中激光片光與模型對稱面重合,CCD記錄模型對稱面上的納米粒子瑞利散射信號(hào),獲得的流場NPLS圖像分辨率為94 μm/像素.

        2.1 無噴流狀態(tài)流動(dòng)顯示

        無噴流狀態(tài)的流場NPLS圖像如圖4所示,兩幅圖時(shí)間間隔為5 μs.觀察發(fā)現(xiàn),由于噴管出口的后臺(tái)階[11]影響,在無噴流的情況下,頭部弓形激波后的繞流在臺(tái)階處膨脹,產(chǎn)生一系列膨脹波,流動(dòng)經(jīng)過臺(tái)階后在光學(xué)窗口上再附,從而產(chǎn)生一道再附激波.圖中還可以清晰地看到邊界層由層流轉(zhuǎn)捩為湍流的情景.此種狀態(tài)光學(xué)窗口上方層流區(qū)域較長,對氣動(dòng)光學(xué)性能影響不大[12].

        2.2 噴流出口壓力大于外流壓力狀態(tài)流動(dòng)顯示

        圖4 無噴流時(shí)的NPLS圖像

        調(diào)節(jié)噴流總壓,使噴流出口壓力達(dá)到最大值,觀察流場NPLS圖像,發(fā)現(xiàn)在噴流出口處產(chǎn)生一道激波,故可肯定此時(shí)噴流出口壓力大于外部繞流壓力.將噴流總壓調(diào)節(jié)到最大即0.1 MPa,此時(shí)噴流出口壓力Pj=5853 Pa,大于弓形激波后繞流壓力2926 Pa.此種狀態(tài)下,實(shí)驗(yàn)獲得的流場NPLS圖像如圖5所示,兩幅圖時(shí)間間隔為5 μs.外部繞流噴流出口上方產(chǎn)生一道激波,噴流形成氣膜將外部氣流與窗口隔開,起到對窗口的冷卻作用.噴流與外部流場之間產(chǎn)生混合層,可以清楚地看到渦結(jié)構(gòu),由渦卷起的方向初步判斷噴流速度小于外部繞流速度[13].激波2之后,模型外部繞流壓力增加,而噴流則由于混合層及窗口壁面邊界層的作用,其能量逐漸耗散衰減,壓力降低,故而又出現(xiàn)一系列膨脹波,之后有道大渦誘導(dǎo)的激波,最后在流場下游完全發(fā)展成湍流邊界層.總的來說,噴流能夠覆蓋住光學(xué)窗口,起到冷卻保護(hù)窗口的作用[14],但窗口上方層流區(qū)域較無噴流情況很短,流場結(jié)構(gòu)在此狀態(tài)下變得更為復(fù)雜,氣動(dòng)光學(xué)性能將更加惡化.

        2.3 噴流出口與外流壓力匹配狀態(tài)流動(dòng)顯示

        降低噴流總壓至0.05 MPa,此時(shí)噴流出口壓力Pj=2 926 Pa,與模型弓形激波后繞流壓力匹配.在該情況下獲得的流場NPLS圖像如圖6所示,兩幅圖時(shí)間間隔為5 μs.可以發(fā)現(xiàn),噴流相對圖5所示較薄,同樣形成氣膜覆蓋住光學(xué)窗口,亦起到冷卻窗口的作用;但這種狀態(tài)下的完全噴流長度明顯小于圖5中所示,混合層較短,噴流受到窗口表面和外部繞流影響,迅速衰減并發(fā)展成為湍流邊界層;另外,壓力匹配狀態(tài)下噴流與外流混合層的轉(zhuǎn)捩過程相對圖5更為明顯,能夠精確捕捉到不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)并觀察到其時(shí)間演化特性,相對于噴流出口壓力大于外流狀態(tài)較有利于進(jìn)行氣動(dòng)光學(xué)校正.

        圖5 噴流出口壓力大于外流壓力時(shí)的NPLS圖像

        以上3種狀態(tài)下的流場NPLS圖像圖4~圖6中兩幅圖像的時(shí)間間隔均為5 μs,對應(yīng)的空間位置相同.上圖中橢圓框是某時(shí)刻某渦的位置,下圖中對應(yīng)的橢圓框是5 μs后該渦的位置.從3種狀態(tài)的流場NPLS圖像中均可以看出,5 μs時(shí)間內(nèi)渦向下游水平位移了3mm距離,但渦的自身形狀并沒有很大變化.

        圖6 噴流出口與外流壓力匹配時(shí)的NPLS圖像

        3 結(jié)論

        本文利用NPLS技術(shù)對帶冷卻噴流的超聲速光學(xué)頭罩對稱面內(nèi)流場進(jìn)行了流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)研究.對比研究發(fā)現(xiàn):無噴流情況下光學(xué)窗口上方的大部分流場處于層流狀態(tài),對氣動(dòng)光學(xué)性能的影響較小,但窗口不能冷卻;有噴流時(shí),初步判斷噴流可形成較薄的一層氣膜覆蓋住光學(xué)窗口,將外部高溫氣流與光學(xué)窗口隔開,從而起到對窗口冷卻的作用,但此時(shí)剪切層的層流區(qū)域較短,逐漸轉(zhuǎn)捩至湍流狀態(tài),對氣動(dòng)光學(xué)性能的影響較大;噴流出口壓力高于外界壓力情況下的剪切層轉(zhuǎn)捩位置比壓力匹配情況下較為靠前,光學(xué)窗口上方的渦結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜,比較而言,后者對氣動(dòng)光學(xué)性能的影響更大.高分辨率的流場NPLS圖像清晰再現(xiàn)了各種狀態(tài)下的流場波系結(jié)構(gòu)、剪切層、邊界層、混合層、尾流等精細(xì)結(jié)構(gòu),為進(jìn)一步的帶噴流氣動(dòng)光學(xué)研究積累了豐富經(jīng)驗(yàn);對時(shí)間相關(guān)的流場NPLS圖像分析,可以精確測定邊界層及混合層內(nèi)各種擬序結(jié)構(gòu)的幾何特性和時(shí)間演化特性.

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