熊有德,余濤,薛濤,吳杰
華中科技大學(xué) 航空航天學(xué)院,武漢 430074
高超聲速技術(shù)是世界各航空航天大國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,對(duì)國(guó)防安全有著重要意義,其發(fā)展很大程度上取決于諸多基礎(chǔ)學(xué)科研究。在空氣動(dòng)力學(xué)方面,目前仍然存在許多尚未解決的難題,例如高超聲速邊界層穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)捩、激波/邊界層干擾、真實(shí)氣體效應(yīng)、多物理場(chǎng)耦合等。這些難題直接影響到高超聲速飛行器氣動(dòng)、控制和熱防護(hù)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。目前開(kāi)展高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)研究的手段主要包括數(shù)值模擬、飛行試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)。相比于數(shù)值模擬和飛行試驗(yàn),風(fēng)洞試驗(yàn)可以采用多種測(cè)試手段開(kāi)展高超聲速流場(chǎng)的機(jī)理研究,在高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)研究中具有重要意義。但是受限于高超聲速風(fēng)洞高來(lái)流速度、高來(lái)流總溫甚至存在金屬氧化物顆粒高速撞擊風(fēng)險(xiǎn)的極端環(huán)境,高超聲速流場(chǎng)的測(cè)試技術(shù)相對(duì)匱乏,一定程度上阻礙了高超聲速實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。
用于高超聲速精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量的手段包括粒子示蹤測(cè)速法(Particle Image Velocimetry, PIV)、激光多普勒測(cè)速法(Laser Doppler Anemometry,LDA)、熱線(xiàn)風(fēng)速儀技術(shù)(Hot-wire Anemometry,HWA)、皮托探頭(Pitot probe)測(cè)量、瑞利散射技術(shù)(Rayleigh Scattering,RB)、飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測(cè)速法(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging,
FLEET)、聚焦激光差分干涉法(Focused Laser Differential Interferometry,F(xiàn)LDI)等。其中粒子示蹤測(cè)速法、多普勒測(cè)速法、熱線(xiàn)風(fēng)速儀技術(shù)、皮托探頭測(cè)量均有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史,在高超聲速流動(dòng)中已得到了廣泛應(yīng)用。粒子示蹤測(cè)速法和多普勒測(cè)速法均需要在流動(dòng)中引入示蹤粒子,在高超局部復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域存在粒子跟隨性問(wèn)題。熱線(xiàn)風(fēng)速儀技術(shù)雖可以測(cè)量部分高超聲速流場(chǎng)參數(shù)的均值與脈動(dòng),但操作復(fù)雜,動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率只能達(dá)到數(shù)百千赫茲,且介入式熱線(xiàn)易被高速氣流損毀,無(wú)法應(yīng)用于高焓流場(chǎng)。皮托探頭測(cè)量也屬于介入式測(cè)量手段,測(cè)量的特征流場(chǎng)位于激波后低速流動(dòng)區(qū)域,不能真實(shí)表征高超聲速來(lái)流。瑞利散射技術(shù)和飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測(cè)速法近年來(lái)被嘗試用于超聲速與高超聲速流場(chǎng)的定量測(cè)量,比如流場(chǎng)的速度均值與脈動(dòng)、溫度和密度脈動(dòng)等,已經(jīng)取得一些進(jìn)展,但是整體尚處于起步階段。相比以上流場(chǎng)空間定量測(cè)試技術(shù),聚焦激光差分干涉法屬于一種傳統(tǒng)的測(cè)量方法,近年來(lái)在高超聲速問(wèn)題上得到了廣泛應(yīng)用。作為一種基于光學(xué)干涉原理的測(cè)量?jī)x器,聚焦激光差分干涉儀具有較高響應(yīng)頻率,測(cè)量光路的響應(yīng)頻率可達(dá)100 MHz,具備解析亞微秒時(shí)間尺度流動(dòng)特征的能力,并且其光學(xué)探頭分離距離遵循凸透鏡成像的幾何光學(xué)原理,通過(guò)合理的光路設(shè)計(jì),可將其沿被測(cè)流場(chǎng)流向的空間分辨率降低到0.5 mm以下。此外,作為一種非介入式測(cè)量?jī)x器,聚焦激光差分干涉儀不需要引入示蹤粒子,不會(huì)破壞被測(cè)流場(chǎng),故所測(cè)量的流場(chǎng)量可以更真實(shí)地反映流場(chǎng)特征。目前,該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于高超聲速流場(chǎng)(如高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩、高超聲速湍流邊界層、高超聲速自由來(lái)流擾動(dòng)以及超聲速射流噪聲輻射等)測(cè)量;其光路設(shè)計(jì)也從單光路演變到多光路,從經(jīng)典的三維點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到適用于二維流動(dòng)的點(diǎn)測(cè)量,從密度脈動(dòng)測(cè)量拓展到速度測(cè)量,展現(xiàn)了其在高超聲速流動(dòng)測(cè)量中廣泛的應(yīng)用潛力。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外聚焦激光差分干涉法在高超聲速流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,介紹了聚焦激光差分干涉儀的測(cè)量原理和技術(shù)特征,闡述了近年聚焦激光差分干涉儀設(shè)計(jì)上的進(jìn)展,介紹了聚焦激光差分干涉法在高超聲速流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用,并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望。
聚焦激光差分干涉法是基于相干光的干涉原理實(shí)現(xiàn)的。典型的FLDI光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示,由發(fā)射光路(左邊)和接收光路(右邊)兩部分組成,其中x為流向,z為激光的傳播方向。
圖1 FLDI系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of FLDI system
1)發(fā)射光路。激光器發(fā)射一束相位相同、偏振方向相同的平行光束,經(jīng)過(guò)透鏡C后變?yōu)橐皇l(fā)散的錐形光束。光線(xiàn)經(jīng)過(guò)偏振片P,垂直于偏振化方向的干擾光被濾掉,提高了最終的干涉效果。光束透過(guò)沃拉斯通棱鏡W,基于沃拉斯通棱鏡的雙折射特性,當(dāng)棱鏡的光軸同偏振光方向呈45°時(shí),線(xiàn)偏光被分成2束具有一定分離角、偏振方向相互垂直且光強(qiáng)相等的線(xiàn)偏光(o光和e光)。隨后凸透鏡C將2束發(fā)散的光束匯聚在觀測(cè)區(qū)域A,形成2個(gè)分離的焦點(diǎn)O和O,如圖2所示。
圖2 觀測(cè)區(qū)雙焦點(diǎn)示意Fig.2 Schematic of the dual focus in the observation region
2)接收光路。通過(guò)聚焦區(qū)域A后,光束再次發(fā)散,經(jīng)過(guò)凸透鏡C后匯聚,并透過(guò)第2塊沃拉斯通棱鏡W,此時(shí)呈一定分離角度的光束被合并為傳播方向相同的一束光。激光束經(jīng)過(guò)偏振片P,平行于P偏振化方向的光強(qiáng)分量被保留,并被光電探測(cè)器D捕獲,轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。
光路中(圖1、2),L為C焦點(diǎn)與凸透鏡C的距離(即物距),L為像距,兩者與C的焦距f滿(mǎn)足凸透鏡成像關(guān)系:
定義沃拉斯通棱鏡的分離角為σ,則光束分離距離Δx為:
氣體的折射率n與密度ρ的關(guān)系可以用Gladstone-Dale公式表示:
對(duì)于在空氣中傳播的波長(zhǎng)為633 nm的激光,常數(shù)K=2.257×10m/kg。
當(dāng)兩束分離的光穿過(guò)流場(chǎng)時(shí),由于C和C之間路徑的微小差別以及聚焦區(qū)域密度場(chǎng)分布的不均勻,光路積分路徑上的總體折射率不同,因此光束之間形成相位差Δφ,如式(4)所示,式中λ為激光波長(zhǎng),l為系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的空間范圍。
根據(jù)干涉光強(qiáng)公式,合并后的光經(jīng)過(guò)偏振片P后的光強(qiáng)I滿(mǎn)足:
式中: I=I=I, 為單個(gè)光束的光強(qiáng); Icosα及Isinα分別為單個(gè)光束光強(qiáng)在P偏振化平行方向的分量;β為除流場(chǎng)外的其他因素產(chǎn)生的相位差?;?jiǎn)式(5)得:
通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片P的角度α,使得 sin(2α)=1,并合理調(diào)節(jié)沃拉斯通棱鏡W的位置或添加1/4波片,使得β=-π/2,此時(shí)式(6)變?yōu)椋?/p>
當(dāng)激光器穩(wěn)定時(shí),I為常數(shù),此時(shí)光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)僅與流動(dòng)引起的相位差Δφ有關(guān),且當(dāng)Δφ較小時(shí)兩者呈線(xiàn)性關(guān)系。
光電探測(cè)器的輸出電壓信號(hào)滿(mǎn)足式(8):
式中,U為光電接收器的輸出電壓,I為光強(qiáng),R為二極管敏感度,R為負(fù)載電阻。
從式(7)和(8)可以得到流場(chǎng)不均勻性引入的相位差與測(cè)量電壓信號(hào)間的關(guān)系:
式中,U為流動(dòng)引起的相位差為0時(shí)的光電探測(cè)器輸出電壓,U=IRR。從式(4)和(9)即可得到密度差與測(cè)量電壓間的關(guān)系:
1.2.1 高頻率、非介入式空間測(cè)量
在FLDI光學(xué)系統(tǒng)中,用于捕獲光強(qiáng)信號(hào)的光電探測(cè)器的帶寬可以達(dá)到10 MHz以上,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的高頻流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)。例如用于表面壓力脈動(dòng)測(cè)量的PCB 132系列傳感器,其最大響應(yīng)頻率為1 MHz,平坦響應(yīng)頻率為20~300 kHz,且高于300 kHz的壓力信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減,不能滿(mǎn)足邊界層高頻Mack模態(tài)諧波的測(cè)量需求;常用于高超聲速實(shí)驗(yàn)測(cè)量總溫脈動(dòng)及流量脈動(dòng)的熱線(xiàn)風(fēng)速儀的最大響應(yīng)頻率在300 kHz左右;用于測(cè)量熱流的原子層熱電堆(ALTP)傳感器的帶寬也僅能達(dá)到1 MHz。較高的帶寬可以捕捉更高頻的流動(dòng)動(dòng)態(tài)特征,這對(duì)于高超聲速流動(dòng),尤其是邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中高頻不穩(wěn)定波的測(cè)量尤為重要。FLDI通過(guò)光學(xué)聚焦將“探頭”通過(guò)非介入的方式設(shè)置于擬測(cè)量的位點(diǎn),不會(huì)對(duì)高超聲速流場(chǎng)造成影響;FLDI可以應(yīng)用于更加嚴(yán)苛的測(cè)試環(huán)境,例如總溫高達(dá)幾千開(kāi)爾文的高焓激波風(fēng)洞等;通過(guò)移動(dòng)光路焦點(diǎn)位置,F(xiàn)LDI還能獲得流場(chǎng)三維空間點(diǎn)信息。
1.2.2 空間濾波特性
根據(jù)式(9),F(xiàn)LDI技術(shù)測(cè)得的信號(hào)為2束光之間的相位差Δφ,由于光束分離距離為Δx,故可以認(rèn)為測(cè)得的量為相位差的梯度Δφ/Δx。Fulghum及Schmidt等給出了FLDI系統(tǒng)空間濾波特性的理論推導(dǎo),具體如下:
設(shè)FLDI系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)H為儀器輸出的相位差梯度與實(shí)際相位差梯度的比值,即:
假設(shè)擾動(dòng)為正弦波形式,則光束分離引起的空間濾波函數(shù) H(k)為:
式中,k為擾動(dòng)波數(shù)。式(12)的關(guān)系如圖3所示:光束分離距離Δx確定時(shí),不同波數(shù)擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的輸出與實(shí)際一階導(dǎo)數(shù)不同;波數(shù)越?。úㄩL(zhǎng)越長(zhǎng),頻率越低),輸出越接近一階導(dǎo)數(shù);波數(shù)越大(波長(zhǎng)越短,頻率越高),偏離越大。
圖3 光束分離引起的空間濾波Fig.3 Spatial filtering caused by beam separation
光線(xiàn)在傳播過(guò)程中,光束截面(x-y平面)的光強(qiáng)遵循高斯分布規(guī)律,光強(qiáng)的絕大部分集中在光束中心區(qū)域,對(duì)整體干涉的影響更大,這種特性同樣會(huì)產(chǎn)生空間濾波的效果。將整個(gè)截面上不同位置的相位差進(jìn)行積分,得到整個(gè)截面的平均相位差,進(jìn)而得到光強(qiáng)高斯分布對(duì)傳遞函數(shù)的影響:
式中,ω為光束1/e光強(qiáng)半徑(即束腰半徑)。ω為截面位置z的函數(shù):
式中,ω為焦點(diǎn)位置的光強(qiáng)半徑。不同截面位置的響應(yīng)函數(shù) H(k)如圖4所示。在偏離焦平面位置上,大波數(shù)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)下降得很快;但小波數(shù)的擾動(dòng)仍然會(huì)對(duì)FLDI的響應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)。因此FLDI的敏感性長(zhǎng)度不僅與儀器的光學(xué)設(shè)置有關(guān),還與所研究的擾動(dòng)頻率以及空間范圍有關(guān)。
圖4 光強(qiáng)高斯分布引起的空間濾波Fig.4 Spatial filtering caused by Gaussian distribution of light intensity
將式(13)在整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)(L,-L)進(jìn)行積分,并除以路徑長(zhǎng)度,得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由高斯光強(qiáng)分布產(chǎn)生的空間濾波函數(shù):
光束分離和光強(qiáng)的高斯分布同時(shí)影響著系統(tǒng)的響應(yīng),因此整體的響應(yīng)函數(shù)應(yīng)該是H(k)和 H(k)的卷積:
FLDI傳遞函數(shù)的推導(dǎo)中,假定來(lái)流擾動(dòng)為平面正弦波的形式,但實(shí)際情況下的來(lái)流擾動(dòng)更為復(fù)雜。此時(shí)一方面可以將實(shí)際擾動(dòng)分解為不同頻率的擾動(dòng)分別處理;另一方面可以通過(guò)數(shù)值的方法直接計(jì)算整個(gè)光路中各位置密度分布差異帶來(lái)的總相位差。通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法可以在給定任意密度場(chǎng)的情況下預(yù)測(cè)FLDI系統(tǒng)的響應(yīng)。該方法將光路沿傳播方向離散成切片,每個(gè)切片有著不同半徑的光束輪廓;然后以當(dāng)?shù)厥霃竭M(jìn)行歸一化,將切片沿周向和徑向離散成網(wǎng)格(圖5)。當(dāng)給定密度場(chǎng)ρ(x,y,z)分布時(shí),由于2束光的分離距離為Δx,相同網(wǎng)格位置上密度有差異,從而引起相位差不同。考慮光強(qiáng)分布的不同后,將相位差在整個(gè)光束傳播范圍內(nèi)積分即可得到整個(gè)系統(tǒng)的相位差,進(jìn)一步得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。Schmidt等使用數(shù)值方法計(jì)算了給定正弦密度場(chǎng)下的FLDI系統(tǒng)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)與理論吻合較好。
圖5 切片歸一化離散網(wǎng)格Fig.5 Normalized discrete grid of slice
FLDI系統(tǒng)具有空間濾波特性,因此有必要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的空間范圍進(jìn)行標(biāo)定。Parziale和余濤等使用小型CO射流對(duì)光路敏感性長(zhǎng)度進(jìn)行了探測(cè)。將小噴管沿光路傳播方向移動(dòng),記錄不同位置FLDI系統(tǒng)的響應(yīng)(圖6,縱坐標(biāo)為相位差Δφ的均方根(RMS))。當(dāng)響應(yīng)低于最大值(焦點(diǎn)處)的1/e時(shí),認(rèn)為達(dá)到系統(tǒng)的非響應(yīng)區(qū)域。但該標(biāo)定方法并未考慮FLDI系統(tǒng)對(duì)不同頻率的擾動(dòng)響應(yīng)范圍不同的特點(diǎn)。
圖6 FLDI敏感性測(cè)試結(jié)果[21]Fig.6 Result of the FLDI sensitivity test[21]
Lawson等使用層流氦氣射流結(jié)合Mach-Zehnder干涉儀對(duì)FLDI系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量,并使用超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波束對(duì)FLDI系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。在靜態(tài)響應(yīng)測(cè)量方面,使用Mach-Zehnder干涉儀得到軸對(duì)稱(chēng)層流氦氣射流的干涉圖像,經(jīng)過(guò)阿貝爾反演得到軸對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)的折射率(圖7)。將折射率場(chǎng)作為FLDI模擬的輸入,得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的相位差響應(yīng),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(圖8)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性,證實(shí)了Schmidt等的數(shù)值離散方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FLDI系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)特性。
圖7 軸對(duì)稱(chēng)氦氣射流的折射率均值場(chǎng)[22]Fig.7 Average refractive index field of the axisymmetric He jet[22]
圖8 FLDI響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(藍(lán)色)及數(shù)值計(jì)算(紅色)結(jié)果對(duì)比[22]Fig.8 Comparison of experimental (blue) and simulated (red)FLDI responses[22]
在動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量中,超聲波換能器由單一的、頻率為30~100 kHz的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)。不同頻率擾動(dòng)下FLDI系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖9所示。每條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率,使用焦平面(z=0)處的功率譜密度值對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,得到歸一化功率譜密度H'。可以看到:所有響應(yīng)曲線(xiàn)都呈現(xiàn)類(lèi)似高斯分布的對(duì)稱(chēng)衰減;由于FLDI系統(tǒng)空間濾波特性,高頻率(100 kHz)響應(yīng)衰減速度比低頻率(30 kHz)快得多。由圖9(a)變換到圖9(b)(圖中f為產(chǎn)生的擾動(dòng)頻率),可以看到數(shù)據(jù)的線(xiàn)性擬合程度很好,與式(13)預(yù)測(cè)的相符,證實(shí)了理論推導(dǎo)的FLDI系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的準(zhǔn)確性。對(duì)比圖9(a)和圖6可以發(fā)現(xiàn):在不同頻率的擾動(dòng)下,系統(tǒng)的非響應(yīng)區(qū)域范圍有較大差別,因此有必要從頻域上區(qū)分系統(tǒng)響應(yīng)范圍。
圖9 FLDI動(dòng)態(tài)響應(yīng)[22]Fig.9 Dynamic response of FLDI[22]
Lawson等的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)僅給出了歸一化功率譜的幅值,并未給出其絕對(duì)值,且最高頻率僅為100 kHz。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中往往希望得到密度脈動(dòng)的絕對(duì)值,但在標(biāo)定FLDI系統(tǒng)的過(guò)程中,產(chǎn)生一個(gè)頻率幾百千赫茲且幅值已知的密度擾動(dòng)仍然比較困難,因此需要進(jìn)一步探索FLDI系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定手段,對(duì)系統(tǒng)輸出的高頻信號(hào)與密度脈動(dòng)絕對(duì)值之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。
近年來(lái),在高超聲速氣動(dòng)問(wèn)題研究的驅(qū)動(dòng)下,研究人員對(duì)FLDI技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),使得該技術(shù)的功能得到了較大范圍的拓展。
Houpt和Leonov在經(jīng)典的FLDI光路上加以改動(dòng),建立了適用于二維平面實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷闹婢劢辜す獠罘指缮娣ǎ–ylindrical Lens Focused Laser Differential Interferometry,CFLDI)。CFLDI的系統(tǒng)組成見(jiàn)圖10,主要改動(dòng)是將用于形成錐形光束的透鏡C和用于匯聚光束的透鏡C替換為單方向擴(kuò)散和收縮的柱面透鏡。Hopkins等對(duì)該光路做了進(jìn)一步改進(jìn),使聚焦區(qū)域的光束在垂直于光路平面方向也能夠收縮,光束在焦點(diǎn)位置的厚度更小,空間分辨率更高,便于開(kāi)展邊界層結(jié)構(gòu)的測(cè)量。FLDI系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)的光束聚焦效果示意見(jiàn)圖11。Houpt和Leonov通過(guò)數(shù)值方法證明了擾動(dòng)方向平行于光束分離方向時(shí),配置相同F(xiàn)LDI和CFLDI的光路空間濾波特性相同。
圖10 CFLDI系統(tǒng)組成[25]Fig.10 Schematic of the CFLDI setup[25]
圖11 FLDI和CFLDI光束輪廓[24]Fig.11 Beam profiles of FLDI and CFLDI systems[24]
相對(duì)于曲面的模型(例如錐體),平板模型的流動(dòng)機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,且在平板上測(cè)試相關(guān)的邊界層控制也較為容易。CFLDI將FLDI的適用性拓展至二維平面研究,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)FLDI應(yīng)用的不足。
Weisberger與Bathel等在FDLI發(fā)射光路上添加Nomarski雙折射棱鏡,將2束光束再切分一次,變?yōu)?束光束,在聚焦區(qū)域形成2對(duì)雙焦點(diǎn),由此構(gòu)成雙測(cè)點(diǎn)FLDI系統(tǒng),可以同時(shí)獲得空間上2個(gè)測(cè)點(diǎn)的密度脈動(dòng)信息,如圖12所示。Jewell等則使用Koester棱鏡實(shí)現(xiàn)與Nomarski棱鏡類(lèi)似的效果,搭建了雙測(cè)點(diǎn)FLDI系統(tǒng)。將雙測(cè)點(diǎn)FLDI和柱面FLDI結(jié)合,產(chǎn)生用于平面模型的雙測(cè)點(diǎn)FLDI。
圖12 雙測(cè)點(diǎn)FLDI光路示意[26]Fig.12 Schematic of the two-point FLDI setup[26]
Hameed等在雙測(cè)點(diǎn)FLDI系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用雙折射棱鏡將光束再次切分,變成8束光束,構(gòu)成4測(cè)點(diǎn)的FLDI系統(tǒng)。Gragston等進(jìn)一步使用衍射光學(xué)元件代替雙測(cè)點(diǎn)FLDI系統(tǒng)的第一塊分光棱鏡,利用衍射原理產(chǎn)生更多分光對(duì)(圖13),從而得到陣列FLDI(Linear Array FLDI,LA-FLDI)系統(tǒng)。由于各光束對(duì)在匯聚區(qū)域的傳播方向并不平行,因此焦點(diǎn)附近的光束輪廓出現(xiàn)了失真。LA-FLDI系統(tǒng)組成見(jiàn)圖14。接收光路需要捕獲的各測(cè)點(diǎn)的光強(qiáng)信號(hào)間隔很小,一般先用高速相機(jī)來(lái)整體獲取,再進(jìn)行圖像處理獲得各測(cè)點(diǎn)信息;當(dāng)需要更高頻率的采樣速率時(shí),則使用光纖陣列收集各測(cè)點(diǎn)光強(qiáng),再進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理分析。
圖13 LA-FLDI光束輪廓[32]Fig.13 Beam profiles approaching the LA-FLDI system focal region[32]
圖14 LA-FLDI系統(tǒng)組成[32]Fig.14 LA-FLDI setup[32]
雙測(cè)點(diǎn)及陣列FLDI系統(tǒng)一方面提高了實(shí)驗(yàn)的效率,在同一車(chē)次中可以獲得更多的測(cè)點(diǎn)信息;另一方面,各測(cè)點(diǎn)間的信號(hào)可以進(jìn)行相關(guān)性分析,從而得到流動(dòng)特征的演化規(guī)律。
Lawson等在加州理工學(xué)院高超聲速膨脹管風(fēng)洞中測(cè)試了FLDI對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)為10條件下的激波響應(yīng),將CFD計(jì)算得到的瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)據(jù)作為FLDI數(shù)值模擬的輸入,發(fā)現(xiàn)FLDI數(shù)值方法能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)幅值和波形(圖15)。圖16為FLDI數(shù)值模擬結(jié)果和CFD計(jì)算得到的流動(dòng)各階段瞬時(shí)密度場(chǎng)分布(圖中r為流場(chǎng)的徑向坐標(biāo)),可以看到FLDI數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了包括初始激波的傳播(第1幀)、膨脹波的發(fā)展(第2、3幀)、衍射激波的反射(第4幀)、一對(duì)反射激波的相互干擾(第5幀)以及形成更加復(fù)雜的流場(chǎng)(第6幀)在內(nèi)的整個(gè)過(guò)程。
圖15 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與FLDI數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比[34]Fig.15 Comparison between experimental data and FLDI simulation[34]
圖16 FLDI數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)應(yīng)的CFD得到的各發(fā)展階段的瞬時(shí)密度場(chǎng)[34]Fig.16 FLDI simulation and instantaneous flow field shown at several stages of development[34]
該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FLDI具備解析亞微秒時(shí)間尺度的瞬態(tài)流動(dòng)特征的能力,且FLDI數(shù)值與CFD技術(shù)結(jié)合的方法能夠解釋FLDI實(shí)驗(yàn)中得到的相對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)現(xiàn)象。
圖17 安裝屏蔽罩前后的歸一化相位差功率譜[17]Fig.17 Comparison of normalized phase difference spectra for runs with and without the beam shrouds installed[17]
圖18 FLDI與皮托探頭聯(lián)合測(cè)量結(jié)果[17]Fig.18 Combined measurement result of FLDI and Pitot probe[17]
Settles等使用FLDI對(duì)超聲速湍流射流進(jìn)行了測(cè)量,得到了射流核心區(qū)的湍流脈動(dòng)沿軸向截面位置的發(fā)展(圖19,s為噴嘴軸線(xiàn)到雙焦點(diǎn)連線(xiàn)垂直平分面的距離,D為噴嘴直徑)。圖20為FLDI與熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)得的頻譜圖對(duì)比,兩者形狀非常相似,但FLDI可解析到更高波數(shù)的脈動(dòng)變化。Gragston等使用陣列FLDI系統(tǒng)對(duì)欠膨脹超聲速射流內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,各測(cè)點(diǎn)均捕獲到了17 kHz射流嘯聲的特征頻率。
圖19 噴嘴下游不同截面脈動(dòng)歸一化RMS[39]Fig.19 The normalized RMS of the pulsation of different crosssections downstream of the nozzle[39]
圖20 熱線(xiàn)風(fēng)速儀與FLDI頻譜比較[39]Fig.20 Comparison of hot wire anemometer and FLDI spectrum[39]
Hopkins等使用改進(jìn)了的CFLDI技術(shù)對(duì)強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩后的高超聲速湍流邊界層進(jìn)行了測(cè)量,分析了不同高度粗糙元對(duì)邊界層密度脈動(dòng)譜的影響,如圖21所示(δ為粗糙元高度與邊界層高度的比值),邊界層粗糙元的引入降低了100 kHz以上的密度脈動(dòng)幅值,但粗糙元高度不同對(duì)邊界層內(nèi)密度擾動(dòng)的區(qū)別并不明顯。
圖21 歸一化邊界層密度脈動(dòng)譜[24]Fig.21 Normalized density fluctuations spectra inside the boundary layer[24]
FLDI高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)使其非常適用于高超聲速邊界層測(cè)量。Parzial等使用FLDI系統(tǒng)在加州理工學(xué)院T5反射激波風(fēng)洞對(duì)尖錐表面的高頻第二模態(tài)不穩(wěn)定波開(kāi)展測(cè)量,獲得了高焓工況下尖錐模型的轉(zhuǎn)捩特征。Xiong及余濤等對(duì)高超聲速風(fēng)洞中的裙錐/尖錐邊界層進(jìn)行了測(cè)量,捕捉到了第二模態(tài)不穩(wěn)定波及其諧波,且與PCB 132系列表面壓力傳感器相比,F(xiàn)LDI具有高信噪比、高解析頻率和高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn),如圖22和23所示。
圖22 FLDI與PCB壓力傳感器測(cè)量裙錐表面不穩(wěn)定波時(shí)間序列信號(hào)比較[14]Fig.22 Time transient of FLDI and PCB flush mounted on the cone model[14]
Xiong等使用FLDI對(duì)裙錐邊界層的第二模態(tài)波在流向和法向上的發(fā)展進(jìn)行了測(cè)量,并且分析了低頻擾動(dòng)、第二模態(tài)波及其諧波間的非線(xiàn)性相互作用,如圖24所示,圖中h表示法向高度。Ceruzzi等使用雙測(cè)點(diǎn)FLDI系統(tǒng)對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)為2.6的超聲速邊界層內(nèi)部不同頻率擾動(dòng)的速度剖面進(jìn)行了測(cè)量,并與皮托測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較(圖25)。Hameed等搭建了4測(cè)點(diǎn)陣列FLDI系統(tǒng),結(jié)合紋影測(cè)量對(duì)尖錐的高超聲速邊界層不穩(wěn)定波進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)陣列FLDI和紋影對(duì)不穩(wěn)定波頻譜和相速度的測(cè)量結(jié)果一致,且與穩(wěn)定性理論計(jì)算結(jié)果相符。
圖23 FLDI與PCB壓力傳感器測(cè)量尖錐表面不穩(wěn)定波頻域信號(hào)比較[14]Fig.23 Power spectral density comparison of FLDI and PCB result of instability modes[14]
圖24 FLDI測(cè)量尖錐模型邊界層不穩(wěn)定波法向頻譜特征[14]Fig.24 Power spectral density of FLDI measurement across of hypersonic boundary-layer on sharp cone model[14]
圖25 雙測(cè)點(diǎn)FLDI和皮托測(cè)得的速度剖面對(duì)比[38]Fig.25 Comparison of velocity profiles measured by dual points FLDI and Pitot[38]
Houpt等使用CFLDI對(duì)圣母大學(xué)來(lái)流馬赫數(shù)為2的風(fēng)洞測(cè)試段壁面邊界層和核心區(qū)自由流的擾動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在測(cè)量頻譜范圍內(nèi),邊界層內(nèi)均有著更高的擾動(dòng)水平。Weisberger等搭建了雙測(cè)點(diǎn)CFLDI系統(tǒng)對(duì)平板邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中的不穩(wěn)定波進(jìn)行了測(cè)量,捕捉到了123 kHz的第二模態(tài)不穩(wěn)定波(圖26)。
圖26 CFLDI測(cè)得的平板第二模態(tài)不穩(wěn)定波[29]Fig.26 The second-mode instability wave of the flat plate measured by CFLDI[29]
本團(tuán)隊(duì)在華中科技大學(xué)射流平臺(tái)(圖27)上結(jié)合FLDI和麥克風(fēng)對(duì)超聲速射流的外部聲場(chǎng)特性進(jìn)行了測(cè)量。圖28為兩者測(cè)得的頻譜對(duì)比,可見(jiàn)FLDI和麥克風(fēng)均可捕獲射流聲場(chǎng)擾動(dòng)的特征頻率,嘯聲及諧波的頻率吻合良好,但FLDI提供了低頻部分的流動(dòng)信息。Price等結(jié)合FLDI和紋影開(kāi)展了相似研究并得到了類(lèi)似的結(jié)論。相對(duì)于麥克風(fēng)等介入式測(cè)量,F(xiàn)LDI提供了一種既可以測(cè)量射流內(nèi)部流動(dòng)特征,也可以測(cè)量外部聲場(chǎng)特性的新手段。
圖27 來(lái)流馬赫為1.5的超聲速射流平臺(tái)Fig.27 Mach 1.5 supersonic jet platform
圖28 FLDI和麥克風(fēng)測(cè)得的頻譜對(duì)比Fig.28 Comparison of spectra measured by FLDI and microphone
FLDI作為一種非介入式、高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的測(cè)試手段,近年被廣泛應(yīng)用于高超聲速/超聲速風(fēng)洞的來(lái)流擾動(dòng)測(cè)量、射流特征測(cè)量以及邊界層測(cè)量中。得益于光學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)及計(jì)算流體力學(xué)等不同學(xué)科的交叉,F(xiàn)LDI技術(shù)不斷改進(jìn),進(jìn)而適用于不同的流場(chǎng)環(huán)境,推動(dòng)了研究人員對(duì)流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
1)FLDI作為非介入測(cè)試手段,通過(guò)光路設(shè)計(jì)拓展可以滿(mǎn)足二維流場(chǎng)以及空間多測(cè)點(diǎn)同步測(cè)量,提供空間密度脈動(dòng)以及對(duì)流速度等關(guān)鍵定量流場(chǎng)參數(shù),在高超聲速風(fēng)洞尤其是高焓風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量中具有較大的使用潛力。
2)FLDI是一種空間點(diǎn)測(cè)量技術(shù),對(duì)密度梯度敏感性高,可對(duì)高超聲速層流與湍流邊界層的空間結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲、激波邊界層干擾等復(fù)雜氣動(dòng)與聲學(xué)問(wèn)題進(jìn)行定性與定量測(cè)量。
3)FLDI在實(shí)際使用中,盡管具有空間濾波特性,但仍會(huì)受到光路積分效應(yīng)(尤其是低頻部分?jǐn)_動(dòng))的影響,需針對(duì)消除FLDI非聚焦區(qū)域的積分效應(yīng)影響開(kāi)展深入研究。
4)使用FLDI技術(shù)開(kāi)展定量測(cè)量,需要對(duì)其開(kāi)展靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定,目前FLDI的動(dòng)態(tài)標(biāo)定響應(yīng)頻率有限,需要進(jìn)一步探索新型的動(dòng)態(tài)標(biāo)定手段,提升FLDI高頻信號(hào)的可信度。
FLDI技術(shù)作為近年比較熱門(mén)的測(cè)試技術(shù)之一,已經(jīng)成功地用于高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩、高超聲速自由來(lái)流擾動(dòng)模態(tài)等研究方向,并取得了較好的效果。但是,F(xiàn)LDI的積分效應(yīng)以及系統(tǒng)標(biāo)定仍是其短板,需要進(jìn)一步研究。