張 俊, 吳運剛, 嚴來軍, 殷可為

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川綿陽 621000)

引 言

在風洞試驗中, 試驗模型的繞流密度場信息是模型優(yōu)化設計及選型的重要參數(shù). 為了獲得直觀、準確的密度場分布信息, 國內(nèi)外許多研究者一直致力于探索研究各種技術手段來實現(xiàn)模型繞流密度場的可視化觀測. 目前, 用于流場密度場顯示的技術主要包括經(jīng)典紋影技術、干涉技術、背景紋影技術等. 其中, 背景紋影技術是將用于流場測量的PIV技術和紋影技術結合起來創(chuàng)造的一種流場測量新技術, 結合了PIV的粒子示蹤、粒子圖像處理技術和傳統(tǒng)紋影技術的基本原理[1-2]. 它可以像PIV技術一樣進行較大視場的流場測量, 但又不需要使用經(jīng)典紋影技術中的大量精密光學儀器, 并且也不需要大口徑的均勻平行光源, 能更好地滿足風洞現(xiàn)場需要[3-6].

得益于背景紋影技術(background orieted schli-eren, BOS)的優(yōu)點, 國內(nèi)外廣泛地采用該技術進行各種流場的密度場定性顯示和定量測量[7-23]. Sourgen 等基于BOS和干涉測量技術開展了錐頭柱體、半球體、尖釘凸體等模型的密度場定量測量研究[24], 在下吹式超聲速風洞中獲得了來流Mach 2和3條件下的密度場測量結果, 并與CFD進行了相互驗證, 在激波區(qū)域最大差異約10%. Reinholtz等基于BOS技術在美國16T風洞中開展了人員艙模型的定性流場顯示試驗[25], 獲得了多個Mach數(shù)下、不同壓力、不同模型姿態(tài)條件下的流場顯示結果. Suriyanarayanan等針對微爆炸波流場應用BOS技術進行了密度場測量, 采用對稱性重構方法獲得了定量的三維流場密度分布[26], 結果表明, BOS技術對于密度場數(shù)據(jù)獲取和CFD數(shù)據(jù)驗證都具有極大的應用潛力. Clem等在小型熱噴射聲學臺(small hot jet acoustic rig， SHJAR)設備上基于BOS技術觀察了圓形噴射氣流流場, 研究了尖叫噪聲、激波數(shù)量、間距與頻率的關系, 并以此作為飛行器降噪設計的參考數(shù)據(jù), 試驗Ma=1.0～1.7[27]. 趙玉新等提出了基于背景紋影矢量場的高分辨率全場氣動光學畸變與抖動測量方法[28], 之后丁浩林等采用脈沖激光作為照明光源, 搭建基于BOS的波前測試系統(tǒng), 并獲得了6 ns時間分辨的波前測試結果[29]. 可見, 背景紋影技術作為新興的流場密度場測量技術, 在風洞及其他流場中有著巨大的應用潛力, 但在高超聲速瞬態(tài)流場的應用研究報道還較少.

隨著針對超聲速和高超聲速復雜流場研究的進一步深入, 毫秒量級積分的密度場信息已不能滿足研究需要, 而瞬態(tài)(納秒量級)的流場細節(jié)更有利于揭示其復雜流動機理, 為飛行器外形優(yōu)化設計和選型提供流場數(shù)據(jù)支撐. 為了探索高超聲速瞬態(tài)流場顯示方法, 實現(xiàn)超聲速流場瞬態(tài)“凍結”能力, 獲得模型瞬態(tài)繞流密度場分布的可視化信息, 基于背景紋影技術和納秒脈沖激光器搭建了雙方向密度場可視化系統(tǒng), 針對非對稱尖錐模型開展了瞬態(tài)密度場可視化試驗, 得到了Ma=6來流條件下瞬態(tài)的模型繞流流場細節(jié), 并與毫秒量級曝光時間的密度場信息進行了對比分析.

1 測量原理

1.1 背景紋影原理

背景紋影技術的本質是基于氣體折射率與密度之間的近似線性關系, 利用光線折射現(xiàn)象間接解算流場密度分布信息. 當一束光線入射進入一種存在折射率梯度的介質中時, 光線會向折射率增大的方向偏折, 如圖1所示. 由Glaston-Dale定律可知, 氣體折射率與密度的關系為[30]

n-1=ρKG-D

式中,n為氣體折射率,ρ為氣體密度,KG-D為Glaston-Dale常數(shù).KG-D取決于氣體的特性, 僅與光波長有關, 但光波長對其影響較小, 二者之間存在如下關系

式中,λ為光波長. 穿過的光線軌跡的曲率半徑可表示為折射率梯度

式中,R為光線軌跡的曲率半徑,n為折射率. 那么, 光線的偏折角為

式中,C為常數(shù), 與實驗配置相關; Δx， Δy為測量獲得的不同方向的斑點位移量. 如此, 通過斑點位移量即可表征流場密度場信息.

為了獲得流場密度場顯示結果, 試驗中須拍攝兩幅背景點圖案的圖像. 一幅為停風狀態(tài)的圖像, 即不存在密度梯度(圖像無畸變); 另一幅為吹風狀態(tài)時的圖像, 存在密度梯度, 相應的背景圖案存在變形. 采用互相關算法可解算出兩幅圖像的互相關情況, 并計算得出兩幅圖像中背景斑點的位移矢量. 當光線穿過測量體積內(nèi)的有密度梯度的區(qū)域時, 位移矢量就表征了光線在該處的偏折情況, 正比于該處的密度梯度. 因此, 位移矢量場可定性地等同于經(jīng)典紋影圖像, 從而表征密度場分布.

圖1 背景紋影測量原理圖Fig. 1 Principle of BOS method

1.2 瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng)搭建

搭建的雙光路瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng)包括2路瞬態(tài)激光照明光源、CCD相機、背景板、圖像采集及處理計算機、脈沖時序信號控制器等部件. 其中, 脈沖時序信號控制器用于控制系統(tǒng)時序, 確保瞬態(tài)激光脈沖光源、CCD相機曝光、流場觸發(fā)信號的同步配準, 以便精準采集有效流場圖像, 如圖2所示. 試驗光路布局如圖3所示. 脈沖激光出口光斑直徑Ф≈9 mm, 激光出射后首先通過50∶50分光鏡將激光分為強度相等的兩束激光. 而后利用反射鏡使兩束光分別沿著相互垂直的方向投射到待測流場. 其中, 每束光都采用擴束鏡組將光束擴大至直徑Ф=60 mm, 然后照射在漫射勻光屏上. 勻光屏可將原來的同心環(huán)狀光斑均勻化, 變?yōu)榱炼染鶆虻墓獍? 并同時具有發(fā)散作用, 將光斑放大到所需大小, 使背景屏獲得均勻照明, 滿足圖像采集要求. 照明光強可通過激光器放電電壓進行調(diào)節(jié).

CCD相機最短曝光時間500 ns, 分辨率2 048 pixel×2 048 pixel, 對背景板成像放大率166.7 μ/pixel; 采用的 Nd∶YAG 脈沖激光光源單脈沖寬度10 ns. 瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng)采用YAG脈沖激光器作為光源, 結合CCD相機圖像采集, 確保了系統(tǒng)圖像采集的有效曝光時間為10 ns, 從而能夠達到凍結超聲速流場的目的, 實現(xiàn)瞬態(tài)流場圖像采集. 再通過進一步的斑點圖像互相關計算, 即可獲得超聲速流場瞬態(tài)密度場分布的可視化結果.

圖2 時序控制示意圖Fig. 2 Schematic diagram of timing control

圖3 測量系統(tǒng)光路圖Fig. 3 Schematic diagram of arrangement of optical path in wind tunnel test

2 試驗裝置及試驗件

超聲速流場瞬態(tài)密度場的可視化試驗在Ф=120 mm激波風洞中開展, 試驗布局如圖3所示, 現(xiàn)場實物如圖4所示. 試驗配置如下: 試驗段觀察窗直徑Ф=200 mm, 試驗段真空箱直徑Ф=1 800 mm, 噴管型面Ma=6, 試驗流場靜壓 4.5 kPa, 穩(wěn)定有效流場持續(xù)時間6 ms, 試驗模型采用典型的非對稱尖錐模型(如圖5所示). 搭建的密度場可視化系統(tǒng)包括相互垂直的1# 方向和2# 方向. 1# 相機正對模型缺口背面, 2# 相機正對模型側面(如圖6所示), 流場方向自上而下. 試驗時, 首先通過背投式瞬態(tài)激光光源照明斑點背景板, 而后通過CCD相機拍攝獲取停風時與吹風時的背景斑點圖案照片. 之后, 通過粒子圖像互相關算法, 求取背景斑點由于發(fā)出光線受流場偏折影響發(fā)生的偏移量, 從而獲得流場的密度分布.

圖4 激波風洞雙光路BOS測量實物圖Fig. 4 Scene of wind tunnel test on site

圖5 非對稱尖錐模型Fig. 5 Non-axisymmetrical cone model

圖6 模型測量方向Fig. 6 Placement of test model in bi-direction

3 試驗結果及分析

3.1 瞬態(tài)密度場可視化結果及分析

1# 方向和2# 方向均采用脈沖激光光源照明, 圖像采集有效曝光時間為10 ns, 獲得了高Mach數(shù)激波流場的瞬態(tài)密度場分布細節(jié). 試驗中, 由于激光照明能量較強、且相機曝光時間短, 斑點圖像存在一定噪聲, 獲得斑點背景如圖7所示. 圖8,9分別表征了1# 方向和2# 方向的瞬態(tài)密度場分布, 圖中D表示背景斑點的位移量， 可以觀測到高速流場中附著于模型表面的激波線, 遠離模型區(qū)域也存在許多的密度不連續(xù)分布. 通過對空流場時采集的斑點圖像對進行互相關處理, 得知噪聲影響帶來的斑點偏移量最大約為0.2 pixel, 相較于密度梯度帶來的斑點位移, 影響很小.

圖7 激光脈沖瞬態(tài)照明斑點背景Fig. 7 Dot background image captured under instantaneous laser illumination

圖8 1# 方向斑點位移量瞬態(tài)分布云圖(10 ns)Fig. 8 Instantaneous displacement distribution in 1# direction(10 ns)

圖9 2# 方向位移量瞬態(tài)分布云圖(10 ns)Fig. 9 Instantaneous displacement distribution in 2# direction(10 ns)

3.2 瞬態(tài)與長曝光密度場可視化結果及分析

為了比較基于脈沖激光照明的瞬態(tài)密度場可視化結果與長曝光積分密度場的區(qū)別, 并驗證瞬態(tài)密度場可視化的重復性, 開展了同樣流場來流條件下的第2次密度場可視化試驗. 其中, 1# 方向采用常亮發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)連續(xù)照明, 功率600 W, CCD相機曝光時間設置為1 ms. 獲得的斑點背景圖如圖10所示, 相對于激光瞬態(tài)照明的斑點背景圖, 由于其曝光時間長, 照明亮度均勻, 粒子圖像清晰可見, 相機噪聲帶來的斑點位移約為0.09 pixel. 圖11表征了1# 方向1 ms長曝光的時均密度場分布, 清晰地捕捉到激波風洞流場的菱形激波, 該激波與模型頭部弓形激波相互作用, 導致弓形激波形狀、波后流場、附面層等發(fā)生不同程度改變. 圖12表征了2# 方向的瞬態(tài)密度場分布. 可見, 1 ms曝光的紋影圖清楚地反映了穩(wěn)定激波流場的各種細節(jié), 包括模型近壁面激波、二道激波、反射激波等細節(jié); 而10 ns曝光的瞬態(tài)紋影圖與之相比, 流場較為紊亂, 流場密度突起較多, 模型激波線不明顯, 反映了瞬態(tài)流場的不均勻性.

圖10 LED常亮照明斑點背景Fig. 10 Dot background image captured under LED illumination

圖11 1# 方向斑點位移量時均分布云圖(1 ms)Fig. 11 Long exposure displacement distribution in 1# direction(1 ms)

圖12 2# 方向斑點位移量瞬態(tài)云圖(10 ns)Fig. 12 Instantaneous displacement distribution in 2# direction(10 ns)

將10 ns曝光的瞬態(tài)紋影圖與3.1節(jié)測量結果相比(2#方向), 其密度場分布輪廓具有一定的重復性, 但流場細節(jié)差異較大, 流場密度突起較多, 突起位置存在較大變化, 表明即使在激波流場相對穩(wěn)定的時間內(nèi), 其瞬態(tài)流場也存在演變特性, 具備非定常特征. 可見, 超短時間曝光的瞬態(tài)紋影測量能夠真實反映瞬態(tài)流場細節(jié), 實現(xiàn)更小時間尺度的密度場可視化.

4 結論

設計了基于激光脈沖照明的瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng), 并針對非對稱尖錐模型在Ф=120 mm激波風洞開展了雙方向密度場可視化應用研究, 獲得了Ma=6條件下瞬態(tài)和長曝光激波流場紋影圖像, 得到了超聲速流場模型繞流密度場分布的可視化結果. 結果表明, 瞬態(tài)背景紋影圖像曝光時間為10 ns, 能夠有效“凍結”超聲速流場; 與長曝光紋影圖進行對比, 瞬態(tài)圖像清晰地顯示了更小時間尺度的流場密度場, 且突起較多, 分布不均勻, 也存在時間演變特性. 可見, 基于脈沖激光照明的密度場可視化系統(tǒng)能夠獲得瞬態(tài)激波流場的密度場細節(jié), 為超聲速和高超聲速流場復雜流動機理的深入理解和研究提供了一種有效方法.

如果條件允許, 采用高頻脈沖激光器, 再結合高速相機, 則可搭建能實現(xiàn)時間序列演化的超短曝光瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng), 開展了高超聲速流場的瞬態(tài)時間演化特征研究, 有助于加深對高超聲速流場復雜機理的理解和研究. 可見, 具有系統(tǒng)結構簡潔的瞬態(tài)密度場可視化系統(tǒng), 在研究超聲速和高超聲速流場復雜機理方面有著較大的應用潛力.