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        基于飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測速技術(shù)的剪切流場速度測量

        2022-09-26 08:40:10楊文斌陳力閆博王朝宗周江寧陳爽母金河王建新邱榮
        實驗流體力學(xué) 2022年4期

        楊文斌,陳力,閆博,王朝宗,周江寧,陳爽, *,母金河,王建新,邱榮

        1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室,綿陽 621000

        2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所,綿陽 621000

        3. 西南科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,綿陽 621010

        0 引 言

        在眾多流場參數(shù)中,流體的流動速度是最為基本的物理量,可以為評估飛行器的氣動性能提供重要參考。流場速度測量精度直接影響飛行器模型氣動系數(shù)測量的準(zhǔn)確性,進而影響飛行器氣動性能的預(yù)測精度。目前常用的基于激光技術(shù)的非接觸式速度測量方法,如PIV(粒子示蹤測速法)、HTV(羥基標(biāo)記測速法)、NO-PLIF(平面激光誘導(dǎo)熒光法)、IRS(干涉瑞利散射法)等,受粒子跟隨性等限制,已不能完全滿足流場速度高精度測量的需求。飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測速(Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging,F(xiàn)LEET)有望解決當(dāng)前非接觸式測速技術(shù)存在的問題。

        FLEET測速技術(shù)利用飛秒激光對空氣中大量存在的N分子進行標(biāo)記,獲得長壽命的熒光,結(jié)合高速成像技術(shù),通過追蹤被標(biāo)記分子的運動軌跡,基于位移–時間關(guān)系實現(xiàn)流場速度的測量。在速度測量過程中,由于流場中存在大量的N分子,不需要另加任何示蹤粒子。FLEET技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于低速流動測量,在超聲速、高超聲速條件及邊界層、發(fā)動機燃燒室等復(fù)雜環(huán)境下,其可行性及可靠性也有所保證;并且FLEET技術(shù)不需要任何物理近似,具有極高的速度測量精度。由于誘導(dǎo)的電子熒光遠(yuǎn)強于傳統(tǒng)散射信號,F(xiàn)LEET技術(shù)在低密度、低溫等特殊環(huán)境的速度測量中也頗具優(yōu)勢。近年來,NASA、AEDC等機構(gòu)已開展了FLEET技術(shù)在風(fēng)洞試驗中的探索性應(yīng)用研究工作。NASA Langley中心于2015年在0.3 m跨聲速低溫風(fēng)洞(試驗參數(shù):總壓100~400 kPa,總溫200~295 K,馬赫數(shù)0.20~0.75)中實現(xiàn)了該技術(shù)的初步應(yīng)用。2016年,該機構(gòu)在0.3 m跨聲速低溫風(fēng)洞(試驗參數(shù):總壓100~400 kPa,總溫100~325 K,馬赫數(shù)0.20~0.75)中開展了FLEET和Rayleigh散射同步測速實驗,并在2017年將FLEET技術(shù)應(yīng)用于跨聲速翼面速度測量(試驗參數(shù):總壓125 kPa,總溫280 K,馬赫數(shù)0.85)。2018年,AEDC的Dogariu等利用FLEET技術(shù)在超聲速風(fēng)洞(馬赫數(shù)14)中開展了湍流邊界層測量試驗。2019年,Sandia國家實驗室Zhang等利用FLEET技術(shù)測量了尖錐模型(錐半角7°,底徑12.7 cm,尖端半徑<0.05 mm,長度0.517 m)在馬赫數(shù)8.0下的尾流流場速度分布。目前,F(xiàn)LEET技術(shù)已應(yīng)用于可壓縮流、邊界層、湍流和火焰的速度測量。與其他分子標(biāo)記測速方法相比,F(xiàn)LEET技術(shù)具有無需示蹤粒子、激發(fā)方案和探測方案簡單、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點。

        鑒于FLEET技術(shù)的優(yōu)點及其在(高)超聲速和復(fù)雜流場測量中的應(yīng)用潛力,近年來國內(nèi)科研機構(gòu)(中國空氣動力研究與發(fā)展中心、天津大學(xué)等)也開展了飛秒激光在流場速度測量中的應(yīng)用,但目前仍然處于探索階段,距風(fēng)洞試驗應(yīng)用還有較大距離,主要原因在于目前的研究工作主要為基礎(chǔ)研究,流場結(jié)構(gòu)比較單一,而真實的風(fēng)洞試驗流場結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜(如剪切、轉(zhuǎn)捩以及各種渦結(jié)構(gòu))。本文搭建了FLEET速度測量系統(tǒng),分析了FLEET熒光信號的時間演化規(guī)律、光譜構(gòu)成及其來源,明確了FLEET測速技術(shù)適用的延遲時間。在射流剪切裝置上開展了剪切流場速度測量實驗,研究了延遲時間、流場速度對測量結(jié)果的影響,測量了不同高度下的流場速度及剪切層厚度。

        1 理論基礎(chǔ)

        將飛秒激光聚焦于待測流場區(qū)域,由于多光子電離效應(yīng),沿飛秒激光聚焦路徑的一段區(qū)域被解離,從而完成N分子的標(biāo)記過程。解離的原子復(fù)合產(chǎn)生激發(fā)態(tài)分子,當(dāng)激發(fā)態(tài)分子向低能級躍遷時會輻射出熒光信號,該物理過程如圖1(a)所示,其中,k、n、m表示3個不同的激發(fā)態(tài)。

        當(dāng)標(biāo)記分子隨流場運動時,相應(yīng)的電子熒光也會在氣流傳輸方向發(fā)生位移,在FLEET熒光信號壽命范圍內(nèi)可以利用探測器記錄不同時刻標(biāo)記分子的位置(如圖1(b)所示,t、t、t表示3個不同時刻),利用質(zhì)心法、曲線擬合法、Hessian矩陣法等算法實現(xiàn)FLEET熒光信號位置的亞像素提取,基于標(biāo)記分子的時間–位移關(guān)系獲得流場速度和結(jié)構(gòu)。

        圖 1 FLEET技術(shù)N2標(biāo)記物理過程及圖像Fig. 1 FLEET nitrogen tagging mechanism and images

        對于一維速度測量,采用質(zhì)心法獲取FLEET熒光信號的中心位置:

        式中,s(t)為t時刻x處FLEET熒光信號的中心位置,I(x,y;t)為預(yù)處理(去背景、降噪)后t時刻的FLEET熒光信號圖像強度,x,y分別為激光傳輸方向和流向,下標(biāo)i、j表示二維矩陣中熒光圖像的第i行、第j列。流場速度v可由2個不同時刻(時間間隔Δt)的FLEET熒光信號中心位置計算得出:

        2 實驗及裝置

        FLEET測速系統(tǒng)如圖2所示。FLEET系統(tǒng)由激勵光源、光路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和時序控制系統(tǒng)4部分組成。光源為中心波長800 nm的鈦藍(lán)寶石飛秒激光,輸出脈寬為45 fs。當(dāng)光源頻率為1000 Hz時,單脈沖最大輸出能量為10 mJ。光路系統(tǒng)包括半波片(H1)、偏振片(P1、P2)、聚焦透鏡(L1、L2、L3)和帶通濾光片(BP)等。半波片用于防止反射光返回激光器,壁免對其輸出造成影響甚至損壞。偏振片用于調(diào)節(jié)飛秒激光能量。飛秒激光經(jīng)聚焦透鏡L1(焦距為400 mm)聚焦于待測流場區(qū)域,激發(fā)流場中的N進行標(biāo)記。帶通濾光片用于濾除FLEET熒光信號外的雜散光干擾。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括ICCD相機和光纖光譜儀。ICCD相機用于記錄標(biāo)記分子在流場中的位置,測量過程中ICCD積分時間為120 ns,空間分辨率為21 μm/像素。光纖光譜儀用于記錄標(biāo)記分子的FLEET熒光信號。DG535信號發(fā)生器用于控制飛秒激光器的時序關(guān)系以及ICCD相機的時序關(guān)系和積分時間。

        圖 2 FLEET測速系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of FLEET experimental setup

        剪切流場噴嘴以及出口位置處的坐標(biāo)系如圖3所示,噴嘴出口為矩形(5 mm×5 mm),通道1為低速通道,通道2為高速通道。調(diào)節(jié)噴嘴中雙通道的流量/壓力可以獲得不同結(jié)構(gòu)的剪切流場。

        圖 3 剪切流場噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of shear flow nozzle

        3 實驗結(jié)果與分析

        3.1 FLEET熒光信號光譜分析

        圖 4 FLEET熒光信號250~850 nm波段光譜Fig. 4 The spectrum from 250 nm to 850 nm of FLEET signal

        不同延遲時間t下的雙低速剪切流場(雙通道流量均為10 L/min)FLEET熒光信號如圖5所示。可以看到,F(xiàn)LEET熒光信號可以持續(xù)到300 μs,具有足夠的信號強度用于流場速度測量。但隨著延遲時間的增加,F(xiàn)LEET熒光信號會在空間上發(fā)生彌散,導(dǎo)致測量的不確定度增加。對圖5中的FLEET熒光信號強度進行積分,得到其隨延遲時間的演化關(guān)系,如圖6所示。FLEET熒光信號強度隨延遲時間的增加而急劇增大,隨后緩慢衰減。這是由于流場中N分子在飛秒激光作用下發(fā)生多光子電離,產(chǎn)生的自由電子碰撞激發(fā)周圍的分子,導(dǎo)致FLEET熒光信號強度的急劇增大;隨著電子與分子的碰撞,分子不斷失去能量,激發(fā)態(tài)的分子數(shù)不斷減少,導(dǎo)致時間和積分強度,I為背景信號積分強度)對FLEET熒光信號積分強度進行擬合,結(jié)果顯示FLEET熒光信號強度上升和衰減過程的特征時間分別為20 ns和190 μs。

        圖 5 不同延遲下的剪切流場FLEET熒光信號Fig. 5 FLEET signal of shear flow with different delays.

        圖 6 實測FLEET熒光信號及擬合結(jié)果Fig. 6 Measured FLEET signal and corresponding fitting results

        3.2 剪切流場FLEET測速

        基于搭建的FLEET測速系統(tǒng),開展了剪切流場FLEET測速實驗。實驗中,工作氣體為N,測量位置在噴嘴上方y(tǒng)=2 ~15 mm之間,參數(shù)設(shè)置如表1所示,其中工況1~4為雙低速剪切流場,工況5~7為高速剪切流場。由于實驗條件限制,本文只對 30~170 m/s 流速范圍的剪切流場進行了實驗研究。

        表 1 剪切流場FLEET測速中的實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of FLEET velocimetry in shear flow

        在不同延遲時間下,剪切流場的FLEET熒光信號分布及速度測量結(jié)果如圖7和8所示。圖7(a)為工況1的FLEET熒光信號分布,標(biāo)記分子隨流場運動,不同時刻的FLEET熒光信號位置不同,通過追蹤標(biāo)記分子的運動軌跡可以反演出流場的速度分布。圖7(b)為工況1流場的速度反演結(jié)果,插圖為噴管中心(x=0)處的速度隨延遲時間的變化??梢钥吹剑煌舆t時間下反演的速度分布基本一致,但在剪切流場區(qū),流場速度反演結(jié)果隨延遲時間的增大而增大,流場速度測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差(用于表征多次測量結(jié)果間的離散程度)明顯高于其他流場區(qū)域,不確定度(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比)最大值為10.22%,這是由于剪切流場區(qū)的速度/壓力梯度使得標(biāo)記分子的彌散效應(yīng)增強,并且這種彌散效應(yīng)隨著延遲時間的增加而增大,從而導(dǎo)致測量結(jié)果不確定度的增大。圖8為工況5的FLEET熒光信號分布及速度測量結(jié)果。同樣地,剪切流場區(qū)的速度測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差存在整體增大現(xiàn)象,不確定度最大值為5.58%,相比于工況1的測量結(jié)果,F(xiàn)LEET技術(shù)在較高速度流場下具有更低的不確定度。除此之外,對比圖7(b)和8(b)中通道1(x<0)和2(x>0)出口前方流場(即y>0區(qū)域)的速度測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),通道2出口前方流場速度測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較大,這主要是由等離子體對飛秒激光的散焦作用引起的:在通道1出口前方流場,飛秒激光在等離子體的散焦作用下光斑發(fā)生彌散,引起通道2出口前方流場中產(chǎn)生的等離子體半徑增大和FLEET熒光信號強度降低,從而引起標(biāo)記分子位置測量誤差,速度測量結(jié)果不確定度增大。

        圖 7 工況1不同延遲下的FLEET信號及速度測量結(jié)果Fig. 7 FLEET signal and corresponding calculated velocities with different delays of case 1

        圖 8 工況5不同延遲下的FLEET信號及速度測量結(jié)果Fig. 8 FLEET signal and corresponding calculated velocities with different delays of case 5

        雙低速剪切流場(工況1~4)在不同測量高度y下的速度測量結(jié)果如圖9所示。對于雙低速剪切流場,x=0處的速度隨著y的增大而增大。為研究射流混合區(qū)域隨y的變化,對噴管中心位置兩側(cè)1 mm范圍內(nèi)(即x為–1~0 mm和0~1 mm)的速度進行線性擬合(圖9中的2條黑色直線表示y=2 mm時的擬合結(jié)果)。本文用2條直線夾角的變化表征混合區(qū)域的變化,如圖9(b)所示,夾角隨y的增大從6.5°增大至31.0°,x=0處的速度隨著y的增大從17.7 m/s增大至26.8 m/s。

        高速剪切流場(工況5~7)在不同測量高度y下的速度測量結(jié)果如圖10所示。在G?rtler理論中,剪切層厚度為流體速度接近零的點與接近核心射流速度u的點之間的距離。為使剪切層厚度計算不受邊界選擇的影響,引入動量厚度:

        式中,u為剪切層軸向速度。剪切層厚度可由= 4計算得到。為了定量描述雙射流混合區(qū)域的剪切層厚度,令u=u–u,u=u–u,其中u為實測流場速度,u和u分別為低速、高速射流速度,將u/u歸一化至[0,1]區(qū)間。由此得到的如圖10(b)所示,隨y增大從0.71 mm增大至1.83 mm,并且符合線性關(guān)系,其校正決定系數(shù)R=0.9750。

        圖 9 剪切流場不同高度速度測量結(jié)果Fig. 9 Measured velocities with different heights in shear flow

        不同射流速度(工況1、5、8)下y=2 mm處的剪切流場速度測量結(jié)果如圖11所示。對于雙低速剪切流場(工況1),x=0處的速度存在一個極小值。隨著通道2射流速度的增大,x=0處的速度隨之增大,當(dāng)通道2射流壓力增大至0.5 MPa時(工況5),x=0處的速度已趨近于通道1外的流場速度,可以預(yù)見,隨著通道2射流速度的繼續(xù)增大,x=0處的速度將繼續(xù)增大且極小值消失。除此之外,通道2射流速度對通道1外的流場速度產(chǎn)生了一定的影響,使之隨通道2射流速度的增大而增大。

        3.3 FLEET實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

        圖 10 剪切流場不同高度的速度分布及剪切層厚度Fig. 10 Velocity distribution and shear layer thickness with different heights in shear flow

        圖 11 不同射流速度時y = 2 mm處的剪切流場速度Fig. 11 Velocity distribution at 2 mm with different jet velocities

        為了驗證FLEET實驗測量結(jié)果的可靠性,對剪切流場進行了計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真。數(shù)值求解采用SIMPLE算法,壓力采用二階差分格式,動量采用二階迎風(fēng)差分格式,湍流動能和比耗散率采用一階迎風(fēng)差分格式。通道1和2流量均設(shè)置為10 L/min時的仿真結(jié)果如圖12(a)所示;通道1流量設(shè)置為10 L/min、通道2壓力設(shè)置為0.5 MPa時的仿真結(jié)果如圖12(b)所示。由圖可見,在通道1和2之間存在一個流速均小于通道1和2的低速區(qū)。當(dāng)通道1和2流速相等時,低速區(qū)會在很長的范圍內(nèi)存在;當(dāng)通道1和2流速存在較大差異時,低速區(qū)的長度減小,可見通道1和2的流速差異對剪切流場速度分布影響較大。

        圖 12 剪切流場速度分布仿真結(jié)果Fig. 12 Simulated velocity distribution of shear flow

        圖 13 剪切流場速度分布仿真結(jié)果與FLEET測量結(jié)果對比Fig. 13 Comparison between simulation velocity distributions and FLEET measurement results of shear flow

        通道1和2流量均設(shè)置為10 L/min時,不同高度y下工況1~4流場速度的仿真結(jié)果與FLEET實驗測量結(jié)果如圖13(a)所示。當(dāng)雙通道流速相同時,仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果都顯示出相同的剪切流場速度分布,噴管中心(x=0)處速度存在一極小值,在雙通道各自的射流中心位置速度達(dá)到極大值。通道1流量設(shè)置為10 L/min、通道2壓力設(shè)置為0.5 MPa時,不同高度y下工況5~7流場速度的仿真結(jié)果與FLEET實驗測量結(jié)果如圖13(b)所示。當(dāng)由流速差異較大的雙通道形成剪切流時,仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果依然都顯示出相同的剪切流場速度分布,當(dāng)測量位置靠近噴管出口(即y較?。r,在噴管中心(x=0)處存在速度極小值。值得注意的是,仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果存在一定的偏差,且y=2 mm時x=0處的偏差較大,該偏差會隨著y的增大而減小,其主要原因是在仿真過程中忽略了噴管隔板厚度的影響,特別是噴管中心(x=0)處的隔板厚度。此外,加工工藝等因素導(dǎo)致實驗裝置與仿真模型存在一定的差異,進一步增大了實驗測量結(jié)果和仿真結(jié)果間的偏差。

        4 結(jié) 論

        本文基于飛秒激光器搭建了FLEET速度測量系統(tǒng),分析了FLEET熒光信號的時間演化規(guī)律、光譜構(gòu)成及其來源,在射流剪切裝置上開展了剪切流場速度測量實驗,研究了延遲時間、流場速度對測量結(jié)果的影響,測量了不同高度下的流場速度及剪切層厚度,驗證了FLEET技術(shù)用于測量剪切流場的可行性。結(jié)論如下:

        1)FLEET熒光信號主要來源于N第二正帶系和N第一負(fù)帶系,隨延遲時間的增大而急劇增大,隨后緩慢衰減,上升和衰減過程的特征時間分別為20 ns和190 μs。

        2)不同延遲時間下反演的流場速度分布基本一致,但在剪切流場區(qū),速度/壓力梯度使得標(biāo)記分子的彌散效應(yīng)增大,且這種彌散效應(yīng)隨著延遲時間的增加而增大,導(dǎo)致剪切流場區(qū)域不同延遲時間下流場速度反演結(jié)果的不確定度(5%~10.22%)明顯高于其他流場區(qū)域(除邊緣區(qū)域外,不確定度在3%以內(nèi)),但這種不確定度會隨著射流速度的增大而減小,表明FLEET測速技術(shù)在較高速度流場測速中具有更高的準(zhǔn)確性。由于實驗條件限制,本文只對30~170 m/s流速范圍的剪切流場進行了實驗研究。理論上,流場速度越高,F(xiàn)LEET熒光信號的位移距離越大,彌散效應(yīng)和測量誤差引起的不確定度越低。因此,F(xiàn)LEET技術(shù)在高速流場測量中的應(yīng)用潛力和測量精度都比低速流場更高,理論上不存在速度測量上限。

        3)對于雙低速剪切流場,在不同測量高度下,噴管中心位置的速度隨著測量高度的增大而增大;對于高速剪切流場,剪切層厚度隨測量高度的增大從0.71 mm增大至1.83 mm。

        4)仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果都顯示出相同的剪切流場速度分布。在噴管中心處,仿真結(jié)果和實驗測量結(jié)果的偏差會隨著與噴管出口的距離增大而減小,主要原因是仿真過程中忽略了噴管隔板厚度的影響。

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