瑞利散射测速技术在高超声速流场中应用研究

采用基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了Ma5、Ma6、Ma12的流场速度和湍流度的测量，了解了瑞利散射速度和湍流度测量系统在高超声速流场中应用的情况，结果表明目前该风洞流场湍流度在1%以内，速度测量结果与流场校测偏差最大1.3%；对激波后返回舱模型绕流速度进行了测量，Ma6来流的测量结果与数值模拟结果吻合较好，而Ma12来流的测量结果与数值模拟结果相差69%，对原因进行了分析。在实验中发现目前Φ0.3m高超声速低密度风洞的流场存在一定程度的冷凝现象，并对后续研究工作提出了建议。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能，基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中，每种技术都有其局限性和适用范围，需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点，选择合适的激光诊断技术。在温度测量中，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量，单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%；高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法，但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中，粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量，羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量，HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中，主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering，SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度，常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求，飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging，FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统，分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱；基于FLEET测速系统，在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验，通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场，开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验；研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加，荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散；FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低，但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致；FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma=3. 8超声速风洞中.采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布.PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求.本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理.实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布.     

布里渊散射水下探测目标的自动识别

文章针对法布里-珀罗干涉仪干涉条纹的特点,提出了一种通过对干涉图像的处理,以提取干涉条纹中心和各级次条纹的半径的算法,然后以相邻条纹的半径差为特征,利用分类器进行判读,最后用VC++编写成软件,用计算机处理以达到自动识别的目的.     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔,了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子,开发了超声速流场的DPIV测试技术,并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4.21,得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画,获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

用差分干涉仪测量钝锥模型周围的密度场

本文介绍了用差分干涉仪测量超声速流场中钝锥模型周围密度场的试验装置和测量结果,并同尖锥模型的测量结果进行了比较。     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

结构光照明技术在瑞利散射成像去杂散光应用中的研究

激光片光成像技术在流场测量领域的应用前景十分广阔，但该类测量技术在实际测量中都会受到杂散光或背景光干扰的影响，降低了光学成像质量。因此，开展了将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光干扰的研究。结构光照明技术是一种新型的杂散光抑制方法，可以将原始图像数据分为有效信号和杂散光（来自于激光片光焦平面外的干扰光）两部分，在后期数据处理中，有效信号会保持不变，而杂散光会因为空间频率不同而被剔除掉。首先，基于Matlab软件理论分析了该类方法消除杂散光的作用；其次，设计了一套应用于瑞利散射成像的结构光照明测量装置，主要由连续激光器、Ronchi光栅和EMCCD相机组成，其中Ronchi光栅用于产生正弦光强分布的激光片光。最后利用该测量装置在McKenna平面火焰炉上开展了瑞利散射图像测量实验，验证了结构光照明的方法具有消除杂散光影响、提高瑞利散射图像精度的作用。     

声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

采用热线风速仪对5.5m×4m 低湍流航空声学风洞闭口试验段低湍流度流场进行测量,根据对干扰信号的分析,提出了高通惯性衰减滤波方法,并与一般数据处理方法进行了比较,给出了流场测量方案、方法和结果。采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析脉动速度信号中的干扰噪声,发现40Hz~10kHz 频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。比较分析了0.5Hz~5kHz 带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果,采用0.5Hz 高通惯性衰减滤波方法获得了流场低湍流度数据,流场速度30~100m/s 的湍流度平均值小于0.05%。实验结果表明,高通惯性衰减滤波方法可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度,为低湍流度流场信号处理提供了一种方法。     

基于滤波瑞利散射技术的带压燃烧场温度测量实验研究

为实现高压、受限空间条件下燃烧火焰二维温度场的测量，研究了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波瑞利散射技术。设计了一套滤波瑞利散射温度测量装置，主要由种子激光注入Nd:YAG激光器、碘分子滤波池、ICCD相机等组成。利用该测量装置，在高压火焰炉上开展了0.1~0.5MPa条件下的甲烷/空气预混火焰温度测量实验，结果表明:滤波瑞利散射测温技术能有效抑制米散射和背景杂散光的干扰，能在受限空间和带压条件下获得瞬态燃烧火焰温度场的分布，并且温度测量的相对不确定度优于15%；与热电偶温度测量实验的结果进行了对比，两者的偏差小于10%。因此，有望将滤波瑞利散射测温技术应用于发动机燃烧场温度诊断实验。     

用数字化 M-Z 干涉仪对低密度混合流场测量的实验研究

本文提出了最近研制成功的数字化 M-Z 干涉系统,并用它对二维低密度混合流场的密度场进行了测量。由于该系统采用了激光光源以及干涉图的计算机处理技术,使得实验和数据处理的工作自动化,而且具有精度高的特点,适用于低密度混合流场中较弱信号的高精度测量。文中系统地分析了用激光作光源的条件下,M-Z 干涉系统对平行光扩束系统的要求,以及如何消除因激光干涉性太强而引起的寄生干涉条纹,通过对平行式半透半反镜的分析,给出了适用于 M-Z 干涉仪的平行式半透半反镜的具体设计参数,并简述了由于使用激光光源而简化仪器调节的原理,给出了一种使经典 M-Z 干涉仪与现代计算机技术相结合来提高测量精度的新方法。     

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合，实现单相机对空间三维瞬态流场（3D3C）的精确测量，为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术（MART）的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像，将所发展的光场单相机三维流场测试技术（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV）进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。     

基于双光场相机的高分辨率光场三维PIV技术

光场相机粒子图像测速（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）是一种近几年新发展起来的流动测试手段，能够仅通过单个光场相机测量3D-3C瞬态速度场，简化了三维流场测量的实验复杂度，特别是能实现受限空间的三维速度场测量。然而这一技术尚存在一些不足:由于光场相机沿景深方向的空间分辨率较低，沿该方向的速度测量精度低于垂直于景深方向的测量精度。本文尝试从硬件角度入手，发展一种双光场相机流动测试技术，通过增大对示踪粒子的观察视角，来提高光场三维测量系统沿景深方向的空间分辨率。基于乘积代数迭代技术（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，MART），开发了针对双光场相机的粒子三维重构算法。分别利用直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）水射流的数字合成图像与低速水射流涡环的实验图像，将双光场相机的测量结果与单光场相机的测量结果进行对比分析研究。结果表明双光场相机与单光场相机相比显著提高了相机沿景深方向的测量精度。     

犘犐犞技术在复杂二相流场中的应用

光学元器件随飞行器在大气中飞行时,其工作性能越来越多地受到大气悬浮汇聚微粒的影响。大气微粒在复杂流场中呈现何种运动汇聚效应,对于合理准确评估机载光学元器件的工作效能具有十分重要的工程意义,而复杂气动流场中微粒分布状态的预估一直是飞行器外界环境研究中的一个难点。气动问题的复杂性、大气中微粒的多样性一直是制约各种试验手段展开、数值模型建立的主要因素。利用先进的激光粒子图像技术,在风洞中对舵面旋涡主导的复杂流场中的微粒速度及分布特性进行了实验研究。在测量舵面翼梢脱落旋涡特性的基础上,通过激光片光扫描流场全域,同时高帧频CCD相机同步曝光,利用PIV 拍摄到的流场中涡流截面内微粒分布的瞬态图像。结合图像后处理技术,对原始粒子图像进行互相关、二值化处理,通过对图像区域内的灰度值计算,统计相对流场截面内的粒子浓度系数,得到在复杂旋涡结构流场内瞬态粒子的分布特性规律。研究结果表明,利用大气中微粒在激光片光下的米氏散射原理,可以有效地拍摄到复杂流场结构下粒子光学散射及分布的特性图像,解决了传统环境测试设备无法对复杂条件下流场内粒子分布进行实时测量的缺陷;在旋涡为主导的流场中,大气中的微粒由向心力牵引,在涡核周围达到平衡运动状态,微粒环绕涡核形成一条环状带,这一区域中的粒子浓度系数要远大于自由流场中的微粒,涡核中心粒子呈“空洞”状态。     

光场三维速度和温度同步测量技术仿真分析

本文提出了LF-PIV（单相机光场测速技术）与基于温敏磷光粒子衰减时间的测温技术相结合的三维速度和温度同步测量技术,实验校准了温敏示踪粒子（Mg₃F₂GeO₄:Mn）光强衰减时间和温度的对应关系,仿真分析了相机曝光时间特性对测量准确性的影响。在相机两帧图像曝光时间可控条件下,利用DNS（Direct Numerical Simulation）得到的水射流数据进行数字合成图像仿真（射流温度及环境温度为均一温度343.15 K）。重构了三维粒子光强,反算了温度及速度场,分析了测量误差。在现有光场相机硬件参数条件下进行了可测量速度的理论分析及仿真研究。结果表明:在相机两帧图像曝光时间可控条件下,本文所提方法可实现三维速度和温度同步测量;但受现有光场相机硬件参数限制,目前可测量的速度较小。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。