高超音速边界层的几种光学显示方法

本文介绍几种显示高超音速模型边界层的方法。包括普通纹影、彩色纹影、单向放大纹影及聚焦阴影法。这些方法各有所长,可视具体情况加以选择。     

二维灵敏彩色纹影技术

本文介绍了一种能同时探测流场中二维的气流密度梯度,又能任意调节系统灵敏度的彩色纹影技术。其工作光源是一个由红、绿、黄、蓝四种颜色构成的“口”字形彩色狭缝。刀口机构由四片均可微调的刀刃组成。用这种技术拍摄的纹影照片色彩丰富,且以不同的颜色代表着流场中不同方向的密度梯度。此技术特别适用于纹影镜为球面反射镜的纹影系统。     

动态彩色纹影流动显示

对动态彩色纹影技术作了深入细致的阐述，并把此项技术广泛应用于超音速流场中捕捉激波等试验研究中，提供了一些实际应用的典型的流场彩色纹影照片，为波动理论研究提供了重要的实验图像（如波阵面的包波结构等）。     

基于彩色纹影的Edney Ⅳ型激波相互作用研究

发展了一种高分辨率和灵敏度的彩色纹影技术,研究高超声速条件下Edney Ⅳ型激波相互作用.解决了制作彩色滤光片的关键技术,采用特制的彩色滤光片代替了传统纹影系统中的刀口,高速彩色相机曝光时间60μs,帧频6242fps.将光源限制在0.5mm×20mm的狭缝内以提高系统灵敏度.实验在马赫数为5的激波风洞内进行,Edney Ⅳ型激波相互作用由15°斜劈和20mm直径钝头体产生,来流静压和静温分别为1800Pa和100K.数值模拟采用迎风格式求解三维RANS方程.实验得到了清晰的彩色纹影照片,细致地呈现了Edney Ⅳ型激波相互作用的波系结构和马赫数为1.2的超声速射流.数值计算与实验结果很好地吻合,共同揭示了Edney Ⅳ型激波相互作用机制和钝头体表面局部高压区域的形成原因.     

非定常动态旋涡显示

基于旋涡的密度梯度，研制一种用彩色纹影系统来实时显示非定常旋涡随攻角变化的动态过程，并与常规的激光片光技术相比有许多优点和潜力。     

一种简单适用的彩色纹影刀口制作方法

一种设计简单、制作方便的彩色纹影系列刀口，通过试验观察了温度场（密度场）以及高速气流下流场的密度变化情况，得到了一组效果较好的彩色照片。     

合成纹影技术在内波实验研究中的应用

纹影方法是重要的密度场可视化手段.文章重点介绍实验室研究中一种新型密度场测量方法-合成纹影技术,阐述了合成纹影技术的原理.利用光源、背景模板、实验水槽、图像采集设备搭建了合成纹影系统,将合成纹影技术应用于垂直振荡圆柱和往复潮流过地形生成内波两个实验,结果验证了合成纹影技术在内波实验中定量测量密度场的可行性和准确性,为合理使用合成纹影技术进行密度场可视化测量提供借鉴和参考.     

纹影系统中物平面的选择与刀口的设置

纹影方法是重要的流场可视化手段,实验前需要对纹影系统进行细致调节,物平面的选择与刀口的设置是影响纹影图像信息的关键环节.以穿过火焰的光线偏折特性和成像记录为例,分析并比较了不同物平面下所获图像特征,说明了在撤掉刀口的情况下消除图像的阴影效果是确定纹影物平面的有效方法.基于纹影法的工作原理和刀口进给量与纹影图像的对应关系,分别讨论了刀口方向选择、焦点位置确定和刀口切入量设置.为合理使用纹影系统进行流场可视化测量提供借鉴和参考.     

双截面聚焦纹影技术应用研究

通过支板尾流结构显示实验,研究了使用双截面聚焦纹影技术显示复杂流动的可行性.双截面聚焦纹影系统能在一次实验中得到两个不同位置的聚焦纹影图片,并能保证两张图片反映的是同一时刻的流场结构.比较了普通纹影与双截面聚焦纹影系统捕捉三维流场结构的能力,证明聚焦纹影技术显示复杂流场是有潜力的.为使之能够清晰地反映复杂流场的三维特征,还需在缩小聚焦区厚度和提高信号质量方面做工作.     

纹影技术中光源的选择与设计方法

在纹影技术应用过程中,纹影光源的性能一定程度上决定了拍摄结果的优劣.不同种类的光源,得到的拍摄效果不同,对于某种特定拍摄需求,光源的选择和设计也不同.如何选择和设计合适的纹影光源,对于最终拍摄结果的好坏至关重要.结合纹影技术在工程实际中的应用,分析了不同被测对象对光源的需求,总结了几种常见光源的应用情况及其特点,提供了一种光源参数设计的方法.在实验室典型超声速自由射流流场测量中,对卤钨灯、氙灯和激光3种纹影光源的应用进行了对比分析.所提出的纹影光源的选择与设计方法,具有一定的工程实验参考价值.     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量.聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息.依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值.试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的.     

一种应用于水流的纹影特性光流测速算法

本论文基于光流优化算法,发展了一种适用于水流的纹影特性光流测速算法。在存在密度梯度的条件下,纹影图像的亮度反映了流场折射率的一阶导数,结合纹影亮度方程和流体连续性方程推导了适用于水的物理约束条件,采用二阶散度–旋度正则化作为空间平滑约束条件,基于两个约束条件构建了能量方程,通过变分法对能量方程进行最小化求解获得速度场。以热羽流为例,使用该算法对浮力羽流纹影图像进行了计算,并与互相关算法和传统光流算法的结果进行了比较。结果显示:本研究提出的算法能更好地体现流动特性,得到更高的空间分辨率。该方法基于纹影图像,无需在流场中添加示踪粒子,对流场无干扰,具有结构简单、使用方便等优点。     

基于BOS技术的密度场测量研究

背景纹影技术是一种基于图像的大视场、非接触的定量流场测试技术,在流场测量中有着广阔的应用前景。详细介绍了背景纹影技术的基本原理,并从理论上对系统灵敏度以及空间分辨率进行了深入分析。根据背景纹影技术原理,深入设计了背景斑点图案,搭建了密度场测量系统,基于火焰流场和喷流流场开展了定量测量研究,并给出了流场密度和温度分布测量结果。结果表明,背景纹影技术可以便捷、有效地实现流场密度测量和温度测量,为实现大视场定量的流场密度测量提供了一种简洁有效的方法。     

纹影定量化在火焰温度测量中的应用

基于传统“Z”字形纹影系统,采用标准光度法对火焰温度进行了定量化。标准光度法通过一个标定镜片来建立火焰纹影图像的灰度值和光线偏转角之间的定量关系,并利用轴对称假设建立光线偏转角和折射率之间的关系。最后通过盖斯定律和理想气体方程得到火焰温度。对其中涉及到的反演算法进行了比较,结果显示直接积分法和 Abel 逆变换法误差最小,Radon 逆变换受滤波函数影响较大,而迭代重建法在离散点数量较少的情况下误差最大。将纹影定量化所得到的温度曲线和热电偶所测结果值比较,证明了标准光度法对纹影火焰定量化的有效性。     

高超声速圆锥边界层转捩纹影显示

为发展高超声速边界层转捩的试验研究手段，在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）超高速空气动力研究所的FD-14激波风洞上开展了基于纹影显示技术的边界层转捩特性研究。试验模型为半锥角为7°的钝锥，头部钝度R_n有2.0和0.5mm两种。试验的名义马赫数为8和10，单位雷诺数变化范围为1.6×107~4.4×107m-1，高速相机的拍摄帧频20kHz。纹影显示捕捉到了第二模态不稳定波和湍流斑的空间结构。对纹影图像的灰度分布进行了功率谱密度（PSD）分析，结果表明第二模态波长约为边界层厚度的2倍。对纹影图像序列的分析表明，湍流斑波前传播速度大于波尾，并且略大于边界层外缘速度。     

聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用

为了在激波风洞试验中满足流场的密度场定量测量、三维流场显示和大视场观测,发展了聚焦纹影显示技术.该技术具有对流场区域进行聚焦显示的特点,获得的流场信息主要反映某个测试区域的特性.笔者对该技术的原理、系统组成、调试情况以及风洞试验结果进行了介绍.调试和试验结果表明:(1)该系统灵敏度高,获得的照片清晰,使用激光光源时不受衍射和干涉噪声的干扰;(2)该系统可以获得急剧聚焦深度小于5mm、测试视场(100mm的聚焦纹影图像,通过改变成像平面位置可以获得不同区域的聚焦纹影图像;(3)静态和动态聚焦纹影图像灰度变化数据将为某聚焦区域密度定量值计算奠定基础.     

基于光源拼接的大视场聚焦纹影技术初步研究

随着风洞试验技术的发展，模型尺寸不断增大，大视场流场显示技术显得日益重要。传统纹影等流场显示技术受光学元件尺寸的限制，流场显示视场难以超过Φ1.0m。在聚焦纹影技术基础上，提出使用可拼接的LED光源或其他光源替换菲涅耳透镜，流场显示视场很容易超过Φ1.5m。在解决光源均匀照明、散热等问题后建立了一套视场为Φ150mm的原理性装置，清晰获得了蜡烛火焰及热吹风流场聚焦纹影图像。同时，可以在此类聚焦纹影系统中放置多套聚焦透镜，实现更大测试视场或不同截面的流场显示；在大视场流场显示中，需要在光源之后增加聚光镜等以提高光源利用效率。     

可压缩自由剪切层纹影试验研究

利用纹影成像技术,在新近研制的超声速剪切风洞中测出了可压缩剪切层的厚度增长率曲线,并捕获了其中的瞬时涡结构。实验对流马赫数分别为0.26,0.43,0.50,0.66,纹影光源曝光时间为200μs和10ns。纹影照片显示,随着对流马赫数增加,可压缩剪切层正则化厚度增长率显著降低,当Mc>0.66时,趋近于0.2。Mc=0.26和0 43时,可压缩剪切层中大尺度结构是二维展向涡,Mc=0.5和0.66时,大尺度结构呈现三维性而且不规则。     

可压缩混合层密度梯度场特性的实验研究

利用纹影技术研究了不同对流马赫数(Mc=0.28,0.38,0.72)可压缩混合层密度梯度场的特性。由纹影图像可以看出:具有可压缩效应(高Mc数)的混合层存在不同程度的摆动。将纹影图像对比以后还发现:当Mc<0.3时,在可压缩混合层中发现了类似于Brown-Roshko的结构,混合层看不出明显的摆动;随着可压缩效应的增强(对流马赫数Mc>0.3),混合层开始摆动,并且随着对流马赫数的增大,混合层开始摆动位置向前移动。此外,还观察到不同对流马赫数下大尺度结构出现的区域有不同的特点。     

高压气吹断路器灭弧室中流场的观测

本文介绍了将差分干涉法及纹影法结合高速摄影用于记录高压气吹断路器开断过程中灭弧室流场的变化过程,并依据对模型断路器所拍摄的干涉照片和纹影照片对开断电弧过程中不同时刻的流场进行了定性分析,发现了在电极根部两侧及顶部存在着强烈的涡流。