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。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2~7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

根据高速流动显示实验研究对高帧频图像采集设备的需要,基于分幅式光路设计原理,结合快响应像增强器和低照度CCD相机,研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机.利用高帧频数字相机,开展了高速流动显示实验研究:基于高帧频数字相机,结合纹影技术,在激波管上针对方块、凹槽模型,开展了高速流动显示实验,获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像,观察到湍流涡随时间演化发展的过程.结合一台输出功率为8W的连续激光光源和高帧频数字相机,建立了一套高速片光散射流动显示系统,获取了喷流的米氏散射序列图像.实验证明,基于高帧频数字相机的纹影及片光散射技术具备开展高速流动显示实验研究的能力.     

基于螺旋旋转屏及DMD的体扫描显示系统

基于螺旋旋转屏和数字微镜元件(Digital micro-mirror device,DMD)技术,对原体扫描显示系统原型进行了改进.采用螺旋旋转屏构建体扫描显示系统的成像空间,可改善平面旋转屏体扫描系统中存在的成像空间较小、体素数量较少和体素重叠死区严重等缺陷.利用DMD空间光调制技术,在体素激活子系统中提高了三维数据传输的带宽,达到同时激活多个体素的目的.研制了基于螺旋旋转屏和DMD的体扫描显示系统原型.实验结果表明,所设计的系统原型与前期平面旋转屏系统相比,在成像空间、视觉死区、切片上的体素数量及体素激活能力等方面都有所改善.     

多循环脉冲爆轰发动机外流场的实验研究

利用内径为30mm,长度为1000mm的爆轰管,对多循环脉冲爆轰发动机外流场进行研究.爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火.实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆轰外流场的阴影照片.根据实验结果,分析了外流场的动力学结构和悬吊激波产生的动力学机理,讨论了两次循环管外流场结构间的差异.第一次循环中的爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,涡环形状的变化又引起悬吊激波的角度变化,在此过程中引导激波始终为球面形状,在第二个循环中的相应时刻,激波前的气体是向外流动的,导致引导激波逐渐成为葫芦形状.     

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述,主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面,介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算,适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面,主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置,并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁,降低了对硬件设备的要求,在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络,重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息,将时序信息引入立体匹配过程中,显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率,其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展,结合短曝光、高帧频的图像采集优势,使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术,在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

风洞流场实时全息研究中的误差分析

基于作者的实验及相关理论，着重分析了实时全息用于风洞流场显示研究可能出现的误差及检定、消除方法。实践表明，配以适当的光源和显示、记录系统，实时全息使全息干涉显示直接再现，现场可视、可调控，免除了实验的盲目性和大量的后续处理，便于灵活选用干涉项，在高速流场尤其是其它光学诊断方法举步维艰的强发光高温等离子体的瞬态及迅变过程的实时连续监测显示诊断研究中亦有一定的优势。现场实验过程中系统只要没有大的过阻尼型的范性移动，用于风洞实验是有效而可靠的。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

多点压力扫描阀测量系统在激波／湍流边界层干扰实验中的应用

多点压力测量是航空气动力研究及高性能流体机械研究中的重要测试手段。利用计算机和多点压力扫描阀系统，可以高效地完成这项任务，并可能在实验中实现数据采集及整个实验过程的自动化。我们利用ＨＰ１０００／Ａ７００计算机－ＨＰ２２５０－测控装置－压力传感器－高速扫描阀组成的测量控制系统，在超音速风洞内对激波／湍流边界层干扰产生的流场进行了快速多点压力数据采集，并取得了可靠的结果。本文对测试和校正过程中的程序设计、测试方法和应用经验进行了介绍。     

为爆轰驱动激波管配置的巡检数据采集系统

用于爆轰驱动激波管的数据采集系统，采用了ＩＢＭＰＣ系列微机加多通道、高速、高精度ＡＤ板，ＡＤ板的工作方式及相应的包括采集、显示、处理和输出于一体的软件系统，与目前普遍采用的多通道瞬态记录仪采集方式进行比较后，表明本系统价格低廉，数据处理方式更加灵活方便。文末给出了实验曲线并指出使用中应注意的问题。     

甲烷-空气的二次爆炸流场实验研究

为了揭示二次爆炸的产生机制及其影响因素,采用带导管的柱形泄爆装置对向空气中泄爆的过程进行了实验。实验获得了在不同泄爆条件下清晰的时序阴影照片和外流场测点的压力历程。根据实验结果分析了二次爆炸的产生条件,并详细讨论了二次爆炸影响因素在不同泄爆条件的变化,从而分析和解释了二次爆炸强度在相应泄爆条件下的变化规律。     

飞机座舱综合图形显示系统设计的一种新方法

针对飞机座舱图形显示的特点，本文提出了一种高速帧存结构和可重构协处理器的设计方法。该高速帧存结构具有自动消隐和背景颜色可编程的功能，所设计的基于FPGA技术的可重构协处理器能在系统动态改变其所实现的算法。这些方法大大减少了处理器的工作量，提高图形生成和显示速度，解决了在图形显示中的速度瓶颈。文中具体介绍了该系统组成结构和设计方法。     

面向体三维显示器的图形算法设计

针对一种基于旋转双螺旋屏幕逐层扫描技术的体三维显示系统,设计并实现了一套支持真实空间三维显示的图形算法体系.算法核心主要包括立体图元的体素化,切片图像渲染和投影同步控制等3个环节.图形系统通过离散三维网格模型获取体三维显示需要的体数据,并根据螺旋屏幕的几何特征将物体的体数据集渲染成切片图像序列发送至高速投影单元,在保持投影与屏幕旋转同步的情况下,快速变换的投影图像基于视觉暂留融合成具有真实物理深度的三维影像.算法在体三维显示器样机上进行了验证,显示的三维影像占据真实物理空间,具备全方向观察角度,围绕显示器可直接观察到立体图像各个不同侧面,如同观察真实物体一样.     

堆积粉尘本构方程的实验测试

确定堆积粉尘的本构方程对讨论有关现象是十分重要的。设计了一种测试方法 ,利用阴影摄影和带示踪粒子的X光脉冲摄影 ,记录激波与堆积粉尘相互作用的流场 ,再通过对该流场的理论分析 ,以确定堆积粉尘的本构方程。以超细淀粉为例 ,对所测的方程做了实验验证。     

超高速碰撞碎片云的激光阴影照相技术

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性，在中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞靶上建立了激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪和成像系统组成，在采用补偿式滤光等技术后，获得了撞击速度v≈6km／s时清晰的碎片云图像。本文对该系统的工作原理、系统构成以及调试情况进行了介绍。试验结果表明：(1)该系统可以获得清晰的超高速碰撞碎片云图像；(2)扩束镜、成像物镜质量本身是影响碎片云激光阴影成像质量的主要因素；(3)各光学元件的不同结构及不同放置也会严重影响阴影成像质量。     

基于层析原理的湍流火焰三维测量综述

实现对湍流火焰的三维测量是人们长期追求的目标之一。近十年,随着高速相机、激光、数值算法的高速发展,高时空分辨的三维燃烧诊断成为可能。对基于层析原理的三维燃烧诊断技术的发展与应用现状进行综述:首先介绍层析技术的原理以及相关算法的发展情况;其次对实现三维层析燃烧诊断的测量系统进行综述;再次,按照光学信号的分类,分别介绍层析技术结合发射光谱、激光诱导荧光、阴影/纹影、Mie散射等进行三维燃烧测量的应用情况;最后,从实际应用的角度出发,对层析三维燃烧诊断技术的发展提出展望。     

拖曳水池随车式PIV技术的研究与应用

PIV(粒子图像测速)技术在拖曳水池中的应用面临诸多困难。与水池岸基式PIV相比,随车式PIV具有设置灵活、连续采集的优点。介绍了中国船舶科学研究中心(CSSRC)拖曳水池随车式PIV技术的特点与功能及其发展。介绍该系统的三个应用:高速水面船模支架周围流动观测;全附体下带与不带前置导叶、螺旋桨的水下回转体模型尾部区域流场测量及两种不同艉附体与主体连接形式的水下回转体尾部流场的测量。展示了该系统的发展历程及其在船舶流场研究中的作用与应用前景。     

高频响流场测试TR-PIV系统技术及其应用

系统地介绍了高频响流场测试TR-PIV技术的基本原理、系统结构及组成,并对其三大关键技术即高速相机、高频响激光器和高速数据存储技术进行了系统的技术分析.结合TR-PIV实验系统要求,对商业高速相机和高频响激光器技术的现状进行了介绍和分析.TR-PIV实验过程中产生的大量数据图像文件对实验系统数据传输带宽的高要求,制约着实验数据采集频率和总实验时间两个参数.建立了基于PCI-E间接存储技术的TR-PIV流场测试系统并利用该系统对低速循环水槽中自由来流方柱绕流场进行了长时间110Hz连续采样,获取了方柱尾迹中旋涡结构的时空演变特征.研究结果对于集成建立高频响TR-PIV测试系统及其应用具有较好的指导价值.     

可控肥皂膜气柱界面与激波相互作用的实验研究

基于肥皂膜技术提出了一种生成气柱界面的简单方法。形成的界面不需要支撑网格,因此初始条件可以很好地控制。在水平激波管中结合高速纹影开展了平面激波与二维或三维气柱界面作用的实验。纹影照片显示实验结果杂波更少,演变中的界面也比文献的结果更对称。此外,还特别研究了由极小曲面特征导致的三维效应,发现三维效应使界面的演变和发展变慢了。本研究将有助于更多了解三维性对Richtmyer-Meshkov不稳定性发展的影响。