光学诊断专题序言

光学诊断技术主要是以激光技术、光谱技术、光电探测技术、数据图像处理技术等为基础的一种综合性测试诊断技术可以实现复杂流场温度、组分浓度、速度、流场结构等参量信息的高时空分辨精确测量而且对测量流场无扰动.近年来光学诊断技术已开始从实验室基础研究走向于各类风洞、发动机等重要设备的工程应用这对于深入研究高超声速流动和燃烧化学反应动力学过程如高焓非平衡流动、高超声速边界层转捩、超声速燃烧动力学、汽车/飞机/火箭/卫星等发动机燃烧不稳定性和污染控制等具有重要意义.     

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

高超声速模型尾迹电子密度二维分布反演方法

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态,模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹.为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断,利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度.该系统采用一发七收的方式,实现平面波照射等离子体及平面波接收,天线波束可完全覆盖尾迹径向范围.多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质,考虑到分层界面上折射效应的影响,本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型,结合测量数据建立目标函数,通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布.该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好,初步验证了该方法的有效性.分析了分层模型对电子密度分布特性的影响,结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳,且适用于不同厚度尾迹,最大化利用接收通道数,确保了计算精度.利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断,并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.     

基于深度约束的声速估算方法*

高精度的声速剖面数据是提高水下定位精度的关键。在无法精确获得声速剖面数据的情况下，该文提出了一种基于深度约束，同时根据浮标与水下目标的空间几何距离进行有效声速估算的方法。通过仿真模拟，将该文提出的方法与加权平均声速法、泰勒级数展开法和等效声速剖面法的定位结果进行对比分析。结果表明，新方法不需要依靠声速剖面数据，通过深度约束可有效地估算出声速值，其定位精度与等效声速结果相当，极大地提高了无声速剖面数据下的水下定位精度。     

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

高压声速测量与卸载路径

介绍了利用光分析法和加窗VISAR(Veloeity Interferometer System for Any Reflector)测量强冲击压缩下的声速的原理和方法，以及利用加窗VISAR技术测量高压卸载路径的方法。     

利用自发布里渊散射测量液体声速

为了克服共振干涉法在液体的热力学声速和高频声速测量方面精度不高的问题, 本文建立了一种基于自发布里渊散射原理的测定液体声速的实验装置. 利用法布里-珀罗干涉仪对散射光进行扫描滤波, 数据采集卡结合光子计数器对散射光进行探测, 设计了一种散射光信息采集分析方法. 该实验方法有效的解决了传统布里渊散射方法中信号失真的问题, 显著地提升了液体声速测量精度. 对308.6–906.2 MHz内298.15 K饱和液相CCl₄声速进行了测量, 测量结果与文献值具有较好一致性. 利用法布里-珀罗干涉仪周期性扫描的滤波原理, 通过在测量得到的布里渊频移上加减整数倍个自由波谱区, 得到了更大频率的波谱信息, 进而设计一种测定介质高频声速的方法. 对CCl₄在5406.1–5521.0 MHz频段内的声速进行了测量. 实验结果显示, CCl₄的热力学声速随频率无明显变化, 而高频声速随频率的增大呈增大趋势且远大于热力学声速, 证实CCl₄具有色散现象.     

高超声速平板边界层流动显示的试验研究

本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.     

激光诱导热光栅光谱测温技术研究

报道了激光诱导热光栅光谱测温技术的研究. 通过两束相干交叉的脉冲抽运光, 在NO₂/N₂混合气中诱导出热光栅, 一束满足布拉格散射条件的连续探测光在交叉区域激励出相干的热光栅信号, 经过空间和光谱滤波的信号光由光电倍增管探测, 并由数字示波器显示和存储. 该信号携带了丰富的流场信息, 通过频域分析, 对气体的温度进行了测量, 热光栅光谱技术测量的温度与热电偶温度符合得很好. 同时还利用热光栅光谱技术进行了气体声速的直接测量, 在一定的温度范围内, 测量结果与理论曲线基本一致, 显示了该技术具有较高的测量精度与多参数同时测量的能力. 对影响信号波形的因素进行了分析, 结果表明, 热光栅光谱测温技术在高压强环境下应用具有独特的优势, 是一种应用前景广阔的激光燃烧诊断技术.