高速聚焦纹影改进及应用

聚焦纹影技术能对垂直于光轴的特定平面内的流场细节进行显示,该特点使其成为近年来被重新研究的流场显示技术之一。本文在综合考虑了锐聚焦深度、非锐聚焦深度、灵敏度和清晰度等指标情况下,结合风洞实际情况,研制了一套聚焦纹影装置。主要在均匀照明流场、切割光栅的制作和不通过成像屏的高速相机直接记录等方面进行了改进工作,得到了较好的显示结果,并在小激波风洞上进行了相关的验证工作。同时,对采用聚焦纹影显示高速变化的流场也进行了探索,提出了相关的建议。     

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。     

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。     

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,开展了高速流动显不实验研究：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。     

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。     

基于背景纹影技术的随机介质折射率场测量

针对光线通过复杂流场时产生的光传输效应问题,提出了基于背景纹影技术的复杂折射率场测量方法,给出了根据粒子图像偏移量求解折射率场分布的计算方法和推导过程,并对该方法的分辨率与灵敏度进行了理论分析。在此基础上,对火焰上方折射率场的分布进行了实验测量,利用粒子图像测量(PIV)技术对实验图像进行处理。结果表明:实验测量得到的空气折射率最大值为100029,最小值为100009,测量有效值小于00001。表明该方法具有较高的测量精度,能够有效实现复杂折射率场的实时精确测量。      

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。     

直流放电控制高速带斜坡锥体气动力的有效性研究

基于直流放电激波重构气动力控制原理，开展了带斜坡锥体模型的高速（Ma=6）气动力控制风洞试验，采用光纤天平技术，考察了模型在两种放电功率（284 W和517 W）下的气动力/力矩变化情况，并采用纹影成像研究了放电对流动拓扑的影响。纹影图像揭示了由于放电热阻塞和马赫数降低引起的波系重构现象，表现为放电诱导压缩波和再附激波弱化、角度减小。天平信号验证了放电使得模型的轴向力、法向力和俯仰力矩减小，放电功率较大时控制效果明显。通过求解带功率密度源项的Navier-Stokes方程模拟放电的加热效应，数值研究了模型气动力随功率密度的变化规律及加热位置对控制能力的影响。研究表明：模型气动力变化率与功率密度呈正相关；当以激励器的上游位置为参考点时，俯仰力矩变化显著；当加热位置靠近斜坡时，控制能力降低。     

预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建

旋流燃烧器的结构参数会对航空发动机燃烧室的燃烧过程产生影响，为了获取高分辨率的流场三维信息以分析旋流燃烧器对燃烧室燃烧性能的影响并提出优化策略，可通过背景导向纹影层析（BOST）技术实现复杂流动的三维折射率、密度和温度分布的瞬态重建。首先采用镜头等效光学系统和龙格-库塔光线追迹方法对光线偏折产生的畸变图像进行模拟，在此基础上采用光流方程重建模型对规则和复杂对象的折射率场进行了重建模拟，分析了图像偏移大小的影响因素，计算了测量体、焦距等设置参数对重建误差的影响，提出了背景导向纹影的优化测量设置方法。模拟结果显示采用优化设置参数后重建折射率场较好地展示了湍流旋流火焰的旋进射流、褶皱和涡旋等流场复杂结构。     

视频投影器

GE 公司的视频投影器是一种采用光阀管的彩色电视装置(光阀管是分离式的密封电子管型,采用了纹影法原理)。这种装置利用了透明油膜上的衍射光栅,具有利用一个电子枪引起彩色化等独特的优点。下面介绍一下它的工作原理、设计基础和工作特性的概要。     

动态纹影-光子相关测量技术在超音速剪切流中的应用

 对一个分离后的二维超音速剪切流进行动态纹影——光子相关测量,得到了剪切层中大尺度涡的迁移速度以及由大尺度涡流诱导的剪切层自维持振荡频率。同时由光子相关测量可以估算剪切层中紊流动能的分布。发现了高速剪切层中大涡结构的某些特殊性质。结果表明这一测量方法在复杂高速流动的测量中具有潜在的优势。     

大攻角高速空间密度场显示

在大攻角空气动力学中，三维、非对称流场的密度显示是十分重要的。本文描述在超声风洞中，应用光学纹影干涉层析术，显示大攻角钝锥的三维密度场的过程。     

高速摄影技术及其应用(一)

几年来,根据航空工业生产、科研、教学的需要,我们应用高速摄影技术研究了若干重点课题,取得了显著的效果,受到了校内外有关单位的欢迎。现将前一阶段的试验作一介绍。一、高速摄影技术概述高速摄影技术,在二次世界大战前后,由于军事武器研究的需要,得到一定的发展。但当时处于严格的保密之下。直到五十年代初,高速摄影技术才在国际上公开,并被公认为是揭示物质运动规律的有力工具。至今,高速摄影技术的应用,不论从军用到民用,从工业到化学、生物学,从宏观机械运动到微观     

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，为波理论研究提供了重要的实验图像。     

高速摄影技术及其应用(二)——焊接工艺的高速摄影研究

焊接工艺方法,特别是对目前发展迅速的熔化极气体保护焊的研究发现,施焊过程中,电弧是否稳定,飞溅金属的大小和数量,熔池运动状态及随后的焊缝成形等等,都与螺丝端部熔化时形成的熔滴形状及其过渡状态有关。近三十多年来,各国都采用了高速摄影技术,将焊接电弧内部金属的熔化及熔滴的形成和过渡过程拍摄成高速影片,经过详尽的分析研究,大大改进了焊接工艺,并促使新的焊接工     

超燃冲压发动机燃烧流场纹影图像无监督分割方法

超燃冲压发动机燃烧室流场纹影图像常存在大量噪声信号,如何高效、准确提取燃烧流场图像的主要波系结构成为当前亟需探索的问题。以超燃冲压发动机燃烧室内冷流到氢燃料点火阶段流场为研究对象,基于深度神经网络方法,发展一种燃烧室内流场的关键波系结构快速识别方法。首先,采用基于图论的超像素分割方法对纹影图像进行聚类分割,为语义信息明显相同区域分配伪标签;其次,设计了一种全卷积特征提取神经网络,并使用残差结构对各个通道进行加权,提取纹影图像高级语义特征;最后,使用交叉熵目标函数优化网络模型,并通过阈值滤波操作去除噪声像素点,提升语义分割效果。结果表明：与K-means及自适应高斯阈值方法相比,本文提出方法在准确率、召回率、F1分数和交并比指标性能明显是最优的,能够准确完成燃烧流场纹影图像语义分割任务,可以更加清晰地反应流场内的主要波系和剪切层结构     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中,迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备,是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验,需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化,发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型,在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量,获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像,不同测量技术获取的试验结果可相互印证,线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

超临界航空煤油喷射到大气环境的喷射特性

用纹影系统对超临界RP-3航空煤油喷射到大气环境中的喷射特性进行了试验研究.在纹影照片中可以看出喷嘴出口下游产生了桶形激波、马赫盘和斜激波,射流近场结构与高度欠膨胀空气射流非常相似.测试结果表明马赫盘的位置随着对比压力的增大而增大,对比温度对马赫盘位置的影响不大;马赫盘的直径随着对比温度的升高而减小,随着对比压力的增大而增大;射流的喷射长度随着对比压力的增大而增大,随着对比温度的升高而减小.      

脉冲纹影技术及其在超声速燃烧室流场显示中的应用

超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点,其流场显示较为困难.为此设计了一套脉冲纹影系统,该系统通过缩短曝光时间来冻结流场;另一方面,利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的特点,有效消除了燃烧室背景辐射的影响.利用该系统对马赫数3.0的超临界煤油燃烧流场结构进行研究,得到了超临界煤油燃烧过程的清晰流场结构图像及其演化过程.     

磷光热图测热技术研究

磷光热图测热技术基于磷光材料的温度敏感特性,是应用于风洞热环境测量的新型全场热流测量方法,近年来在欧美等国得到了高速发展。在中国航天空气动力技术研究院搭建了一套磷光热图系统,采用20°压缩拐角模型开展了重复性试验及铂薄膜电阻温度计对比和纹影验证试验。试验结果表明：热流测量特征区域结果与纹影照片符合良好;技术自身重复性误差小于5%;平板热流与理论值误差小于10%;与铂薄膜电阻温度计的对比误差小于20%,此误差主要由铂薄膜电阻温度计的测量散布度引起。该技术通过单次试验获得模型全场热环境数据,且能够捕获热流峰值区域,是一种全面高效的热环境测量手段。