顧金良，趙構,羅紅娥，夏言

（南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京210094）

膛口流場可視化測試技術*

顧金良，趙構,羅紅娥，夏言

（南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京210094）

為了得到清晰膛口流場分布照片，提出了一種新的數(shù)字式CCD陰影照相系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由高像素CCD相機、窄脈沖激光光源和時序控制器組成。當系統(tǒng)收到啟動信號后，通過時序控制器控制相機和激光光源按照設置好的時序觸發(fā)并完成拍攝，將膛口流場照片保存到時序控制器中。利用此系統(tǒng)進行膛口流場成像實驗，實驗設備布置方便，拍攝的膛口流場照片分辨率高且可即時獲得，為數(shù)值計算及相關武器研究提供直接的實驗對照和參考。高像素CCD陰影照相系統(tǒng)是強有力的膛口流場可視化測試手段。

膛口流場，高像素CCD相機，窄脈沖激光光源，時序控制器

0 引言

彈丸出膛口后，彈丸不斷壓縮彈前空氣柱，并在彈前形成向前移動的沖擊波。沖擊波對彈丸運動產(chǎn)生阻力，并且沖擊波和射流存在激烈的相互作用。彈丸穿越膛口流場時獲得了一定增速和初始擾動，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩使得彈丸攻角增大，影響彈丸的飛行穩(wěn)定性，從而使彈丸命中精度下降；同時膛口流場是非定常、多相、湍流，并有方向性和化學反應的復雜流場［1］，伴隨沖擊波射流產(chǎn)生的有害擾動如強激波、沖擊波、膛口焰對射手、光學儀器和周圍建筑有巨大損傷。通過可視化測試手段拍攝不同時刻膛口流場分布圖像，對研究膛口流場的生成和發(fā)展過程、減小膛口沖擊波危害有著重要的意義。

為了建立完善膛口流場理論，國內(nèi)外進行了大量實驗，一種是利用商用軟件進行數(shù)值仿真［2-6］；而另一種則是進行膛口流場成像實驗［8-9］，獲得實際的膛口流場照片，其實驗方法主要有陰影法、紋影法和干涉法。許多兵器學者進行了大量的膛口流場成像實驗，并取得了很多成就，但由于當時技術的限制，使用膠片進行成像，使得實驗數(shù)字化程度不夠，實驗流程復雜，得到照片的測試周期較長。針對上述問題，建立了一套數(shù)字式陰影照相系統(tǒng)［10］用于膛口流場成像實驗，所得膛口流場圖像清晰，并且實驗過程簡單易行，實驗周期短，圖像數(shù)據(jù)處理方便。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1 系統(tǒng)組成

膛口流場CCD陰影照相系統(tǒng)的組成如圖1所示，由高像素CCD相機、時序控制器、532 nm窄脈沖激光光源及漫反射屏等組成。多臺CCD相機沿彈道方向布置，漫反射屏豎直放置CCD相機和光源正前方，通過時序設置，能夠拍攝到不同時刻的膛口流場圖像。在拍攝時通過時序控制器中的相機控制軟件設置好相機的快門時間、曝光時間以及激光器的閃光時間，并將CCD相機的視場調(diào)好。由發(fā)射產(chǎn)生的信號給時序控制系統(tǒng)一個啟動信號，時序卡開始計時，按照預先設置好的時序觸發(fā)激光器和CCD相機，時序設置時必須保證激光器閃光時CCD相機正處于曝光狀態(tài)，才能成功拍攝，捕捉到膛口流場照片后上傳到時序控制器，并記錄下拍攝時間。

系統(tǒng)所用CCD相機像素為2 900萬，曝光時間為7μs。由于炮口火焰強度高，曝光時間過長會導致所拍攝照片飽和，因此，為了減小火焰干擾，實驗需使用CCD相機的最小曝光時間，這就要求光源強度足夠高，因而系統(tǒng)采用的是窄脈沖激光光源，激光脈沖半峰寬小于20 ns；為了進一步濾去雜光，將一個532 nm窄帶濾光鏡片覆蓋在相機鏡頭前，這樣能使激光盡量透過而濾除大部分炮口焰雜光，將膛口火焰干擾降到最低。

2 試驗及分析

利用上述數(shù)字式陰影照相系統(tǒng)，對7.62 mm口徑槍進行了膛口流場成像實驗，圖2～圖4為不同時刻膛口主流場分布圖像。

從實驗圖片上可以清楚看到膛口主流場變化，火藥燃氣射流已基本掃過了初始流場，并在空氣中形成了近似球形的沖擊波?；鹚幦細馍淞飨蚯肮跔钔黄?，并有相應的冠狀沖擊波。圖2為彈丸運動到湍流氣團時的流場圖像，在膛口沖擊波前有兩道初始沖擊波，此時瓶狀激波系已基本形成，火藥燃氣射流中出現(xiàn)相交激波，但是由于火藥燃燒不充分，有大量的火藥顆粒噴出，無法觀測到彈丸和瓶狀激波系的結(jié)構；圖3中可以看到彈丸即將穿過火藥燃氣射流邊界，向膛口沖擊波運動，而膛口沖擊波已經(jīng)超過第二道初始沖擊波。彈丸對射流的限制減弱，在圖中隱約可以看見相交激波；圖4中彈丸完全穿過火藥燃氣到達膛口沖擊波，此時膛口沖擊波也即將超越第一道初始沖擊波，彈丸穿過冠狀波時，彈頭出現(xiàn)清晰的斜激波，馬赫盤基本形成，在圖中可以看到馬赫盤和相交激波。

圖2 彈丸在湍流氣球中時的流場

圖3 彈丸穿過射流時的流場

圖4 彈丸超越膛口沖擊波時流場

膛口主流場具有高度的瞬變性、強烈的方向性，并且波系結(jié)構復雜。實驗所拍攝的7.62 mm槍膛口流場照片初始沖擊波、膛口沖擊波和射流邊界清晰，根據(jù)時序控制器記錄下每次拍攝的時間，可以計算出馬赫盤形成和彈丸穿越主流場進入自由空氣所需的時間。

3 結(jié)束語

通過數(shù)字式CCD陰影照相系統(tǒng)進行膛口流場成像實驗，可以清楚觀測到不同時刻彈丸位置、姿態(tài)以及膛口流場分布情況，解決了以前實驗過程復雜、數(shù)據(jù)處理不方便等問題，大大縮短了測試周期，為膛口流場的數(shù)值研究提供可參照的實驗對比。并且將高像素CCD相機引入膛口流場成像實驗，為流場成像提供了一種新的思路。

［1］尤國釗，許厚謙，楊啟仁.中間彈道學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

［2］張煥好，陳志華，姜孝海，等.高速彈丸穿越不同制退器時的膛口流場波系結(jié)構研究［J］.兵工學報，2012，33（5）：623-628.

［3］張輝，譚俊杰，崔東明.帶膛口裝置的流場數(shù)值模擬［J］.火炮發(fā)射及控制學報,2007，（2）：48-51.

［4］樂貴高，馬大為，馮勇，等.C某火炮膛口流場數(shù)值仿真［J］.兵工學報，2004,25(1)：19-22.

［5］錢吉勝，張煥好，陳志華.膛口裝置附近流場的數(shù)值模擬［J］.四川兵工學報，2010，31（12）：107-110.

［6］姜孝海，范寶春，李鴻志.膛口流場動力學過程數(shù)值研究［J］.應用數(shù)學和力學，2008，29（3）：351-360.

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［8］姜孝海，范寶春，葉經(jīng)方.泄爆外流場的可視化［J］.爆炸與沖擊，2005，25（1）：5-10.

［9］朱冠南.高空環(huán)境下膛口流場研究［D］.南京：南京理工大學，2014.

［10］羅紅娥，陳平，顧金良，等.超高速CCD正交陰影照相系統(tǒng)的研究與應用［J］.電子測量技術，2008，31（12）：1-3.

［11］錢吉勝，韓臖禮，張煥好，等.膛口裝置附近流暢的數(shù)值模擬［J］.四川兵工學報，2010，29（12）：107-110.

Research on Visual Testing Technology of Muzzle Flow Field

GU Jin-liang，ZHAO Gou，LUO Hong-e，XIA Yan
（National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing 210094,China）

A digital CCD shadowgraph system has been established to achieve clear muzzle flow field imaging distribution，the system consists of high-resolution CCD camera、narrow pulse width laser and time schedule controller.When activating signals is received，camera and laser light are triggered as been settled through the time schedule controller,then finished shooting,these photographs are stored in the time schedule controller.Performing visual experiment of muzzle flow field by using this system,it is convenient to prepare the experimental facilities，the taken photos can be obtained timely with high resolution,provides and reference for the verification of numerical results and related researches on weapons.The digital CCD shadowgraph system are powerful means of visual testing of muzzle flow field.

muzzle flow field，high-resolution CCD camera，narrow pulse width laser，time schedule controller

TJ012.2

A

1002-0640（2015）12-0171-02

2014-11-15

2015-01-17

軍隊“十二五”預研基金資助項目

顧金良（1963-），男，江蘇張家港人，副研究員。研究方向：瞬態(tài)，物理測試技術。