超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren,BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function,PSF）分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。     

三维无规则不均匀折射率场光线追迹新方法

飞行器在大气层中高速飞行时,气动加热,光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀,很难准确得到光线的传播路径。为此,提出三种四阶精度方法的光线追迹方案,通过与螺旋光线解析解结果进行对比,发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.610-8,Richardson外推法为1.210-8,Adams线性多步法为1.210-11,确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算,对计算结果进行了对比,结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步,但Admas方法没有忽略前一步的计算结果,不会带来误差的累积,所以结果更接近真实解,而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。     

雷诺数对超声速气膜气动光学效应影响的实验研究

受到风洞实验能力的限制，高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数，在经典流体力学风洞实验中应用广泛，研究其对于气动光学效应的影响，对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析，证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数；通过创新性设计变雷诺数实验装置，可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数，并利用BOS-WS（BOS-based Wavefront Sensor）技术测量了对应状态的光程差，通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现，对于二维超声速气膜而言，观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。     

带超声速气膜高超声速光学头罩气动光学效应抑制实验

高超声速（Ma_∞=6.0）炮风洞中带超声速（Ma_c=3.0）喷流光学头罩受到周围绕流影响出现气动光学畸变.利用基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试方法测量了光学波前畸变.研究结果表明:瞄视误差（bore sight error,BSE）与喷流压比（pressure ratio of jet,PRJ）之间近似呈正相关.在有喷流的情况下,压力匹配时瞄视误差相对比较小,并且喷流压比对气动光学高阶畸变的影响不显著.微型涡流发生器（micro vortex gene-rator,MVG）对瞄视误差影响不明显,但是对气动光学高阶畸变的影响较为显著.基于波前互相关结果,施加微型涡流发生器之后,波前结构尺寸从0.2A_D减小为0.1A_D.结构尺寸的减小较为有效地抑制了气动光学高阶畸变并且提高了波前的稳定性.      

超声速气膜气动光学效应与Reynolds数相互关系实验研究

目前,随着相关项目研究的不断推进,如何在高Reynolds数下研究其对气动光学效应的影响成为重要命题.通过设计变Reynolds数气动光学效应实验平台,模拟的单位Reynolds数可以在7.2×106~2.2×108 m-1范围内变化.搭建的基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试系统可以达到6 ns的时间分辨率.此系统测量的平凸透镜波前结果表明:实验测量结果与理论计算结果的误差在±4%以内.通过测量9种不同Reynolds数下的超声速气膜瞬态波前数据,分析结果表明:在高Reynolds数条件下,Reynolds数对于超声速气膜气动光学效应的影响比较明显,通过对实验数据进行函数拟合发现OPD_rms∝Re0.88,与推导结果OPD_rms∝Re0.9十分接近;利用小波分析方法研究了高Reynolds数条件下气动光学效应沿流向的分布特征,发现OPD_rms的低频部分（信号的主体）先降低后升高,但是高频部分的震荡幅度先升后降.分析认为OPD_rms的低频部分主要受到流场整体结构的影响,而高频部分更多地受到涡的空间分布影响.      

基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究

高速成像制导导弹在大气中飞行时,受到气动光学效应的影响,目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正,对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性,校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量,建立畸变图像与参考图像之间的控制点对,采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数,利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理,完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物（透镜）和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正,实验结果验证了校正方法的有效性。     

基于Ramp-VG阵列的超声速混合层流动控制实验研究

利用基于纳米示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术研究了Ramp-VG阵列对超声速混合层流场的控制效果.对流Mach数Mac=0.17.通过比较无控和控制状态下的混合层NPLS图像,发现控制状态下混合层流动速度提高了5％～15％,K-H不稳...     

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

带控制的超声速二维后台阶流动显示

在Mach数3.4的来流条件下,对二维后台阶流动精细结构开展了实验研究.实验分为后台阶上游无控制加粗糙带扰动及微涡流发生器（micro-vortex generator,MVG）扰动3种状态,采用基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer based planar laser scattering,NPLS）方法获得了流向和展向切面内的高时空分辨率流动显示图像,并测量了模型表面静压分布.对大量NPLS图像取平均,研究了流场结构的时间平均规律,对比不同时刻的瞬态流场精细结构图像,发现不同状态下的湍流大尺度结构的特征时间.有粗糙带状态相对无粗糙带台阶下游回流区压力更低,而下游压力较高,台阶上游区别不大;受MVG控制后台阶下游附近区域压力突增;MVG对流动的控制改变能力较强,粗糙带能调整台阶上下游附近流动平稳过渡,流场壁面压力没有突变.      

喷流压比对高超声速流场调制传递函数的影响

设计搭建了基于高超声速(Ma=6.0)炮风洞的气动光学地面试验平台,试验对象为带冷却喷流装置的光学头罩模型.利用高速摄像机并结合背景纹影技术获取了喷流压比为0、04、1.0、1.16和1.8五种状态下的光线偏折信息,结合几何光学传递函数理论获取了对应状态下流场的调制传递函数.试验结果表明,喷流压比增大使得流向和展向的调制传递函数包络面积减小,较大喷流压比下流向调制传递函数在2～4 lp/mm区间出现波动现象.