吳文堂, 洪延姬, 葉繼飛, 蔣冠雷

(1. 裝備學(xué)院 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室, 北京 101416; 2. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100094)

0 引 言

超聲速沖擊射流是航空航天技術(shù)領(lǐng)域遇到的普遍問題。由于沖擊射流的流場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含超聲速與亞聲速流動，有激波和渦之間的相互作用，也有激波與激波以及激波與剪切層的相互作用。因此，無論是工程應(yīng)用還是基礎(chǔ)研究，沖擊射流都極具研究價值。

國外學(xué)者在這一問題上的研究較多，而且比較系統(tǒng)深入。早期的研究者利用紋影技術(shù)和表面壓力測量技術(shù)，研究沖擊射流的結(jié)構(gòu)和流動特性，研究表明碰撞區(qū)域能否產(chǎn)生滯止泡(Stagnation Bubble)取決于來流條件。一般認(rèn)為在沖擊射流初始階段，高壓氣體在噴管唇部迅速膨脹，形成了類似球狀的不斷向外擴張的起始沖擊波，沖擊波遇到射流邊界以后，形成一道入射激波。此外，起始沖擊波遇到平板后發(fā)生反射，形成曲面激波，該激波與平板相互作用后發(fā)生馬赫反射，在曲面激波后面形成了局部高溫高壓區(qū)；隨著時間的進一步發(fā)展，射流激波遇到馬赫盤后發(fā)生反射，形成反射激波，同時有三角波交點出現(xiàn)，馬赫盤向前突起，直徑變大；最后整個流場結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。在實驗研究方面，Thomas等[1-2]、 Mitchell等[3-4]以及Elavarasan等[5-6]分別采用陰影法、紋影法和PIV流場測量方法，對沖擊射流的結(jié)構(gòu)特性進行了研究。國內(nèi)研究者徐驚雷[8]、姚朝暉[9]等利用PIV方法對沖擊射流的流場結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)進行了深入研究?？傮w來看，國內(nèi)外對于沖擊射流的研究比較系統(tǒng)，據(jù)查閱的文獻資料來看，彩虹紋影技術(shù)用于沖擊射流的實驗研究相關(guān)工作，鮮有涉及。

利用彩虹紋影測量系統(tǒng)，對高速沖擊射流的流場結(jié)構(gòu)和渦結(jié)構(gòu)進行深入研究，提升對這一類流場結(jié)構(gòu)的感觀認(rèn)知。

1 測量裝置

本研究采用彩虹紋影系統(tǒng)對沖擊射流進行實驗研究，彩虹紋影是一種新型的紋影技術(shù)，其主要特點是獲得流場信息量大、非入侵定量測量精度高、成本低，是近年來國內(nèi)外研究者在流動測量技術(shù)中的研究熱點[9-13]。圖1為所使用的彩虹紋影測量系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)組成部分包括：A為氙燈光源及透鏡光闌組；B為冷噴射流及控制系統(tǒng)；C為直徑為150mm紋影鏡組；D為直徑為150mm平面反射鏡；E為彩虹濾光片和成像系統(tǒng)。

實驗中使用的彩虹濾光片制作過程包括兩步：第一步是利用Matlab軟件設(shè)計好所需的濾光片樣式；第二步是使用膠卷相機將所設(shè)計的濾光片拍攝到膠卷底片上，然后沖洗出來。膠卷為富士Chrome Velvia RVP 50°反轉(zhuǎn)片，反轉(zhuǎn)片的特性在于膠卷底片沖洗出來以后，底片上的顏色為實際景物的顏色，膠卷的ISO度數(shù)值越低，顆粒越細(xì)膩，生成的濾光片靈敏度越高，但需要的曝光時間越長。彩虹濾光片的厚度不能太大，厚度太大會使實驗結(jié)果顏色失真，同時也會影響實驗系統(tǒng)的靈敏度。本實驗中的膠卷底片厚度為0.127mm，這個厚度對其所帶出的顏色的影響是可以忽略的。對于一面1500mm焦距，直徑150mm的反射鏡而言，當(dāng)濾光片的寬度為最大值24mm時，按其最小和最大可能的偏折角計算，濾光片厚度對其色度產(chǎn)生的影響為(見圖2)：

圖1 實驗測量系統(tǒng)示意圖

(1)

圖2 濾光片厚度對測量的影響

顯然，由于該值小于理論上每個像素的大小0.025mm，可以認(rèn)為濾光片的厚度對其色度產(chǎn)生的影響是可以忽略的。圖3是安裝在測量系統(tǒng)中的彩色濾光片實物圖。在彩色濾光片的安裝過程中，必須保持彩色濾光片的平整，同時保證彩色濾光片的主要色度變化區(qū)與狹縫光源的成像平行。

圖3 安裝在測量系統(tǒng)中的彩色濾光片實物圖

2 實驗結(jié)果及討論

利用彩虹紋影測量系統(tǒng)對噴嘴直徑Φ=6mm的沖擊射流進行了大量的實驗研究。獲得不同時刻的沖擊射流的彩虹紋影圖像，可以觀察到?jīng)_擊射流的較多有趣的特性。

圖4是相同壓比η=19.8的條件下，沖擊射流與自由射流的彩虹紋影局部圖像。沖擊射流一般分成三個區(qū)域：初始射流區(qū)、碰撞區(qū)和徑向壁面射流區(qū)，如圖4(a)所示，這三個區(qū)域都比較明顯。在相同壓比條件下，沖擊射流產(chǎn)生的馬赫盤比自由射流產(chǎn)生的馬赫盤大很多。顯然，在沖擊射流中，噴管出口處的來流流向速度是超聲速的，而且還存在膨脹波，周圍的來流處在加速階段，而在碰撞的壁面附近氣流流向速度為零，來流必須在一個較短距離內(nèi)完成這種突然間的變化，因而形成了寬度較大的馬赫盤。自由射流不存在這種突然間的變化，因而可以緩慢過渡，形成的馬赫盤較小。

(a) Impinging jet (b) Free jet

圖5為噴嘴與擋板距離為l=9mm時，三種不同結(jié)構(gòu)沖擊射流的彩虹紋影圖像以及結(jié)構(gòu)示意圖。圖5(a)左圖是壓比較大的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，實驗結(jié)果中，沖擊射流的膨脹波系、射流邊界以及產(chǎn)生的馬赫盤結(jié)構(gòu)清晰，右圖是根據(jù)實驗結(jié)果所畫的波系結(jié)構(gòu)示意圖，沖擊平板的氣流在平板壁面附近形成壁面射流，向兩邊流走。值得一提的是，由于這種類型的沖擊射流是軸對稱的，噴管出口的速度是中間高，四周低，因此形成的馬赫盤是一個凹型弧形平面，在二維平面上顯示為一條弧線和一條直線。圖5(b)左圖是壓比稍小的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，與壓力較大的沖擊射流結(jié)構(gòu)相比較，最明顯的變化是馬赫盤變成一個平面，在二維平面上顯示為一條直線。圖5(c)左圖是壓比更小的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，與壓力較大的沖擊射流結(jié)構(gòu)相比較，最明顯的變化是馬赫盤變成一個凸型弧形平面，在二維平面上顯示為一條弧線和一條直線。其原因是壓比變小之后，出口速度也迅速減小，同時沖擊區(qū)的平板壁面形成一個循環(huán)流動滯止區(qū)，將馬赫盤向上頂起，形成滯止泡。

(a)

(b)

(c)

3 結(jié) 論

利用彩虹紋影測量系統(tǒng)，對不同距離不同壓比的沖擊射流進行實驗研究，得到了一些效果較好的沖擊射流實驗結(jié)果，通過研究得到以下結(jié)論：

(1) 利用彩虹紋影系統(tǒng)獲得了清晰的沖擊射流實驗照片，很好地呈現(xiàn)了沖擊射流的波系結(jié)構(gòu)，也證明了彩虹紋影系統(tǒng)的高分辨率和靈敏度；

(2) 通過對三種不同結(jié)構(gòu)的沖擊射流的波系結(jié)構(gòu)進行分析發(fā)現(xiàn)，沖擊射流的形成與來流條件相關(guān)，也與噴管噴口與沖擊壁面的距離相關(guān)。在噴嘴與擋板距離較大時，形成的射流結(jié)構(gòu)與自由射流相似，壁面附近的射流區(qū)域不明顯。隨著距離減小，沖擊射流在壁面沖擊區(qū)附近射流比較劇烈。距離進一步減小時，出現(xiàn)滯止泡等結(jié)構(gòu)；

(3) 發(fā)展的彩虹紋影系統(tǒng)，為研究超聲速流場顯示提供了一種可行方法。

參考文獻:

[1]Thomas D. Supersonic rectangular jet impingement noise experiments[J]. AIAA Journal, 1991, 29(7): 1051-1057.

[2]Sheplakm M, Spina E. F. Control of high-speed impinging jet resonance[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1583-1588.

[3]Daniel Mitchell, Damon Honnery, Julio Soria. Optical measurements in free and impinging underexpanded jets[C]. 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006.

[4]Krothapalli A. Flow field and noise characteristics of a supersonic impinging jet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1999, 392: 155-181.

[5]Elavarasan R, Krothapilli A, Venkatakrishnan L, et al. Suppression of self-sustained oscillations in a superonic imping jet[J]. AIAA Journal, 2001, 39(12): 2366-2373.

[6]Kumar R, Wiley A, Venkatakrishnan L. Role of coherent structures in supersonic impinging jet noise and its control[R]. AIAA 2010-3873.

[7]Xu Jinglei, Lin Chunfeng, Liu Kaili, et al. PIV study and numerical simulation of the unsteady flowfield of overexpanded supersonic impinging jet atMa=3[R]. AIAA 2010-6991.

[8]姚朝暉, 侯秀洲, 郝鵬飛. 超聲速沖擊射流的PIV實驗研究[J]. 實驗流體力學(xué), 2007, 21(4): 32-35.

Yao Zhaohui, Hou Xiuzhou, Hao Pengfei. PIV experimental research on supersonic impinging jet[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(4): 32-35.

[9]Kolhe P S, Oleksandr Ivanchenko, et al. Experimental measurement of density, pressure and temperature fields in a supersonic free jet using rainbow schlieren deflectometry[C]. AIAA/ASME/SAE/ASEE Inc. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada: 2008-237.

[10] Yamamoto Hideki, Irie Masayuki, et al, Application of rainbow schlieren deflectometry for axisymmetric supersonic jets[J]. Journal of Thermal Science, 2010, 19 (3): 218-221.

[11] Miyazato Yoshiaki, Irie Masayuki, et al. Quantitative flow visualization of correctly expanded supersonic jets by rainbow schlieren deflectometry[C]. AIAA/ASME/ SAE/ASEE Inc. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, 2010-1218.

[12] Jiang Guanlei, Hong Yanji, Ye Jifei, et al. Validity of rainbow schlieren with quantitative density measurment in supersonic jet[C]. 2011 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Measurement Technology and Systems, Beijing, 2011.

[13] Wu Wentang, Hong Yanji, Ye Jifei, et al. Application of the rainbow schlieren method in free underexpanded jets[J]. Applied Mechanics and Materials. 2013, 313: 750-753.

作者簡介:

吳文堂(1987-)，男，湖南龍山縣人，博士生。研究方向：流動控制與流動顯示。通信地址：北京市懷柔區(qū)3380信箱86號(101416)。E-mail:aricwwt@sina.com