激光诱导荧光聚焦纹影系统及超声速燃烧流场应用

纹影是一种常用的流动显示技术，广泛应用于可压缩流动显示及超声速燃烧流场实验.然而，在变Mach数超声速燃烧实验中，燃烧室总温随来流Mach数变化.受准稳态/非定常温度变化影响，光学玻璃窗口的折射率发生显著改变，影响基于密度梯度的纹影成像质量.同时，普通纹影为光程体积沿程积分，难以同二维燃烧场成像信息进行直接比较以开展燃烧与流动耦合研究.聚焦纹影技术可抑制燃烧室内高温引起的玻璃窗口折射率变化，并实现毫米级的急剧聚焦深度，获得二维流场结构，同时配合纳秒级脉宽Nd:YAG激光光源可冻结高超声速流场.在传统聚焦纹影系统基础上发展了激光诱导荧光聚焦纹影系统并应用于变Mach数超声速燃烧实验，创新点在于使用激光诱导荧光染料，以荧光作为光源消除原本激光光源中的相干噪声，同时发展了边缘增强图像处理方法.实验结果表明激光诱导荧光聚焦纹影系统及边缘增强图像处理方法能够有效消除激光光源相干噪声，捕捉二维超声速燃烧流场结构.      

可视化聚焦纹影系统实现流场中的三维扰动成像

可视化成像系统可以实现流场中扰动信息的捕获。针对光学纹影系统,分别从理论和实验上对比研究了流场中的三维超声扰动成像。因三维超声场在光传播方向上引起的流体介质密度变化不同,光波穿过密度变化的流场时,其相位累积变化使图像不能真实反映声场的扰动特征。线型栅的聚焦纹影系统因其线型栅会产生多刀口滤波的作用,故不能对流场中的三维超声扰动场实现完整成像。为了获得流场中的三维扰动特征,提出了采用环型源栅和刀口栅的改进聚焦纹影系统。结果表明:由改进聚焦纹影装置得到的图像扰动特征与实际流场中超声扰动特征相一致;结合图像重构技术,实现了流场中三维复杂扰动的重构。     

超声速预混可燃气流的点火与燃烧

在激波风洞一激波管组合设备上开展了碳氢燃料超声速预混可燃气流的点火与燃烧实验研究。实验结果表明:利用激波对燃料进行预热,并以高温燃气作为引导火焰,可以有效缩短汽油空气超声速可燃混气的点火延迟时间,使之缩短到 0.2 ms以下。利用纹影照片对超声速燃烧流场结构作出了分析;研究了超声速预混可燃气流的温度以及当量比对超声速燃烧流场结构、点火与火焰传播特性的影响。     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

计算流体成像技术重构方法及其应用

建立系统的计算流体成像(CFI)技术,并论证其为流动数值模拟与风洞实验相互佐证的重要手段。采用纯数值模拟技术重构得到流场计算阴影、纹影以及干涉图,主要技术包括复杂湍流模拟技术、三线性插值技术和流动图像重构技术等。同时将CFI技术应用于激波管内绕障碍物三维复杂流动计算图像重构,并与双向全息实验结果进行了比较分析。研究证明该CFI技术可以用于复杂几何边界、分区域、非定常流动图像重构,不仅能够为流场结构特征分析提供重要参考依据,而且能够用于数值模拟与风洞实验结果的比较印证。     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构     

基于NPLS的超声速后台阶流场精细结构及其非定常特性

在马赫数3.4的低噪声超声速风洞中,分别采用纹影技术及基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS),对台阶高度为3 mm的层流后台阶绕流结构进行了流动显示实验,旨在研究后台阶流场再附区的平均流动规律及再附边界层的瞬态流场精细结构,并通过比较不同时刻的NPLS数据,发现后台阶再附边界层涡结构的非定常演化特性;并且与马赫数4.2条件下的纹影结果和前期研究成果进行了比较.结果表明,两种流动显示方法均可以捕捉激波膨胀波的位置,但NPLS技术在揭示流场某一截面内的瞬态精细结构方面更具优势,其时间分辨率可达6 ns,空间分辨率微米量级;该流场条件下的回流剪切层的倾角为-3.1?,再附边界层的平均增长斜率为0.07519;再附边界层中发卡涡脱落的特征时间尺度为大约10μs.相同膨胀比条件下,再附随着马赫数增大而推迟;膨胀比越大,再附越提前,并且流动折转角变大.     

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

气动光学效应湍流脉动模型系数修正

以光学窗口的气动光学效应研究为背景,研究影响光学传输预测的流场湍流脉动量预测.选取平板、压缩拐角、凹腔流动模型,采用大涡模拟（LES）方法研究超声速湍流脉动工程预测模型的系数修正.结果表明：LES方法能够获得无激波干扰、强激波干扰及底部大分离条件下,湍流密度脉动的定量分布,并据此给出脉动工程模型的系数修正,结果已经应用于型号飞行器的光学窗口气动光学效应预测.     

等截面超-超引射器流场结构及引射性能

为考察超声速引射器直接引射超声速二次流时的性能,采用纹影技术和压力测量手段对一等截面超-超引射器的流场结构及其引射性能进行了实验研究。研究结果表明:一、二次流交汇后在混合室前段形成了复杂的超声速流场结构。根据二次流在混合室入口流动状态的不同,可将超-超引射划分为非饱和超-超引射和饱和超-超引射两种工作状态;二次流在混合室入口处产生的激波提高了引射器的压力匹配性能;在给定的引射系数下,引射器的增压性能随二次流马赫数的增大而降低,而引射马赫数对引射器压力恢复性能的影响不大。     

Flow visualization in a low-density plasma channel

A schlieren system and surface-stress-sensitive film system were developed for a plasma channel which posed unique challenges for flow visualization because of the combination of low air density and the presence of plasma discharges. Temperature-sensitive paint and direct-current discharge were also applied to flow visualization. Three pulsed schlieren light sources were evaluated. A light-emitting diode (LED), a xenon Nanopulser^TM and laser breakdown, were tested on identical flowfields. The LED provided excellent illumination, with pulses ranging from μs to continuous. The Nanopulser^TM provided excellent, short-duration images, although illumination varied from shot-to-shot. Laser-breakdown provided short-duration, incoherent illumination that was constant from pulse-to-pulse. The surface-stress-sensitive film was applied to surface flow visualization. A low-modulus elastomer doped with a luminescent dye was used to visualize the surface shear stress and pressure field in laminar shock boundary layer interactions. Intensity distributions from the dye were imaged to interrogate the surface pressure gradients. Displacement of surface markers provided shear information. Results showed the presence of Görtler vortices in the reattaching shear flow. Görtler vortices were also evident in temperature-sensitive paint images and in the plasma discharge glow. These vortices were evident in the intensity images from the elastomer, which could be related to the surface pressure gradient, but were not readily evident in surface shear measurements.     

A Fast Interferometer Using a Nitrogen Laser for Dense Plasmas

A Mach-Zehnder interferometer utilizing a short pulse (5 ns FWHM) nitrogen laser has been built and successfully operated. This system is capable of measuring plasma electron densities higher than 1020 cm-3 and is simple as well as inexpensive. The same system can be used for schlieren and shadow photography. Examples of an interferogram and a shadowgraph of a high density plasma are presented.     

基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像

基于雪崩级联原理研发了用于水下激光选通成像的MARX级联电路激光照明源。相对于普通激光驱动器,该MARX级联电路有输出脉冲窄、峰值高、上升沿短、重复频率高、成本低、体积小、质量轻等优点。采用级联电路研发的脉冲激光照明光源在实现ns量级脉冲宽度性能的基础上保持了照光源系统体积的小型化。该脉冲照明源结合激光整形及匀化光学技术进行了水下选通成像验证实验,在10 ns的脉冲宽度下,实现水下7倍衰减长度范围内的选通成像。该文涉及的电路、光学方面的改进对降低激光选通成像系统的体积、成本及实际应用具有重要意义。     

超声速气流中液体横向射流的非定常特性与振荡边界模型

针对液体圆柱射流垂直喷入超声速横向气流中的非定常分布特性开展实验研究, 并建立穿透深度方向上的射流振荡分布模型. 利用脉冲激光背景成像方法“冻结”拍摄马赫2.1(Ma=2.1)气流中煤油射流/喷雾瞬态图像, 结合最大类间方差法(Otsu)和Canny算法提取瞬态图像特征, 基于统计方法并引入间歇因子(γ)定量描述射流振荡分布特性; 通过研究多参数协同作用下的射流振荡分布规律, 提出振荡分布数学模型, 研究的参数变量包括超声速来流总压(642-1010 kPa)、 液体喷注压降(0.36-4.61 MPa)、液体喷嘴流道直径 (0.48 mm/1.0 mm/1.25 mm/1.52 mm)、距离喷嘴的流向距离(10-125 mm)以及液气动量通量比(0.11-7.49). 研究中利用射流振荡分布模型成功预测出水射流在Ma=2.1气流中的的振荡分布, 预测分布与实验结果符合良好.     

基于弯曲激波特征线法的两级压缩内收缩流场设计与分析

进气道是超声速飞行器的关键部件,设计核心是无黏超声速流场的确定,而波系结构又直接决定了流场的性能。考虑到实际应用价值,基于给定激波的超声速流场反设计至关重要。传统单道入射波的流场结构简单,压缩效率不高,且传统特征线法（method of characteristics,MOC）无法获得高阶的气动参数。为了拓展设计思路,首先利用弯曲激波特征线法展示了内收缩超声速流场不同的单元过程,随后基于此法提出了一种已知入射和反射激波的两级压缩内收缩流场的概念及反设计方法。基于此法设计的基准流场与数值模拟结果吻合良好,双入射激波可以提高压缩效率并缩短长度,能够实现波系结构和出口参数的分布可控,在非均匀来流条件下也能得到相应型面。在给定激波的条件下,求解分析了一系列具有中心体的轴对称流场,讨论入射和反射激波激波角分布对流场气动参数和几何参数的影响。弯曲激波特征线法的精确性和有效性使其成为平面/轴对称超声速流场反设计的良好候选。      

Imaging a tunneling ionization front by using a schlieren method

A schlieren method was used to generate time-resolved images of the tunneling ionization front produced when an ultrashort high-power laser pulse irradiates He gas. By superimposing sequential schlieren images, we obtained information about the laser propagation and found that the ionization front propagated farther with decreasing density of the target gas. Ray-tracing suggested that this density dependence is a result of the spatial distribution of the laser intensity. Received: 20 May 1999 / Revised version: 19 August 1999 / Published online: 27 January 2000     

Two-dimensional measurements of laser-induced breakdown in air by high-speed two-frame shadowgraphy

We present two-dimensional measurements of the laser-induced plasma development and shock wave evolution in air. The breakdown is induced by a Q-switched Nd:YAG laser (λ=1064 nm) with a pulse duration of 4 ns. To study these fast laser-induced phenomena, we have developed a high-speed, two frame shadowgraph method. It enables 2D visualization of a laser-induced event in two time instances, which are delayed by an arbitrary time interval in the range from 300 ps to 30 ns. The established method is based on 30 ps, green (λ=532 nm), and linearly polarized laser pulse, which is split into two orthogonally polarized illumination pulses for direct and delayed illumination of the breakdown area. Exploiting polarization of the probe pulses, we capture two temporally and spatially separated frames with two CCD cameras. Special attention is given to the subsequent data processing, especially to the minimization of the systematic error due to alignment of both images, and to the determination of 2D velocity distribution from the captured image pairs.     

Instantaneous and time-averaged flow structures around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling visualized via nano-tracer planar laser scattering

In a Mach 3.8 wind tunnel, both instantaneous and time-averaged flow structures of different scales around a blunt double-cone with or without supersonic film cooling were visualized via nano-tracer planar laser scattering (NPLS), which has a high spatiotemporal resolution. Three experimental cases with different injection mass flux rates were carried out. Many typical flow structures were clearly shown, such as shock waves, expansion fans, shear layers, mixing layers, and turbulent boundary layers. The analysis of two NPLS images with an interval of 5 μs revealed the temporal evolution characteristics of flow structures. With matched pressures, the laminar length of the mixing layer was longer than that in the case with a larger mass flux rate, but the full covered region was shorter. Structures like K-H (Kelvin-Helmholtz) vortices were clearly seen in both flows. Without injection, the flow was similar to the supersonic flow over a backward-facing step, and the structures were relatively simpler, and there was a longer laminar region. Large scale structures such as hairpin vortices were visualized. In addition, the results were compared in part with the schlieren images captured by others under similar conditions.     

准分子激光等离子体开关控制脉宽研究

 利用准分子激光等离子体技术，在紫外预电离XeCl准分子激光器上获得了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。实验中分析了聚焦到薄膜表面的光束能量密度对所产生的等离子体密度的影响，并对不同等离子体密度及维持时间情况下脉冲压缩效果进行了讨论，给出了激光器谐振腔在稳定腔及非稳腔两种工作方式下的实验结果。激光器在稳定腔工作时，脉宽可压缩至2.87 ns；采用非稳腔结构时，在脉冲能量不变情况下减小聚焦光斑面积，提高入射到薄膜表面的能量密度，得到了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。该技术适用于任何其它准分子器件。