[发明专利]超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声速流场NPLS三维结构技术领域，特别地，涉及一种基于纳米粒子示踪的高时空分辨率的超声速流场NPLS三维结构显示系统。此外，本发明还涉及一种包括上述超声速流场NPLS三维结构显示系统的显示方法。

背景技术

从光学的角度来看，流场结构的显示方法可以分为两大类：第一类是利用光在变折射率场中的变化规律分析流场的变化；第二类是利用示踪物跟随流体一起运动，并根据示踪物的光散射或激发特性分析流场的结构。

第一类方法中比较典型的有纹影、阴影和干涉等技术，属于传统的流动显示方法。在某些情况下，传统的流动显示方法可以得到具有一定时空分辨率的定量结果，但是却无法得到高时空分辨率的流场结构。

平面激光成像技术为上述第二类方法，因其结合现代激光技术、控制技术、成像技术和图像处理技术成为目前应用最为广泛的精细流动结构测试技术。然而，平面激光成像技术只显示超声速流场的二维结构，将其应用于超声速流动精细结构测试仍然面临的三大主要技术问题：一是无法分辨可压缩性与激波结构所导致的大梯度流动结构，这种大梯度结构对基于粒子示踪的光学非接触测试技术提出了很高的跟随性要求；二是难以分辨较高雷诺数条件下的流场空间结构，流场结构具有空间多尺度特征，它要求测试技术不仅具备较高的空间分辨率，而且能够同时分辨不同尺度上的流动结构，即具有较宽范围的波数空间分辨性能；三是无法分辨较高流动速度下的空间结构的时间演化特征，除高速平动外，超声速流动的高频流场脉动也需要分辨，因此测试技术同样需要具有较宽范围的谱分辨性能。另外，对于某些具有曲面外型的试验模型，其超声速流场具有强烈的三维性，因此对测试技术本身的三维测量能力提出了需求。

由以上可知，平面激光成像技术只能显示超声速流场的二维结构，无法显示超声速流场的精细三维结构。

纳米示踪平面激光散射即NPLS(Nano-tracer Planar Laser Scattering)技术，是一种利用纳米粒子作为示踪粒子的流动结构精细显示技术，解决了在超声速或者高超声速流场中的粒子跟随性问题，适用于测量高速复杂流场结构。其包括光源系统、成像系统、存储和控制系统等。其中，光源为双腔Nd:YAG脉冲激光器，可在设定的时序下由同步控制器的控制、发出两束脉宽为6ns的激光。激光经光臂和片光透镜组后形成了厚度小于的片光，并照射到感兴趣的流场区域。在超声速流场中撒播的名义粒径为10nm的TiO₂纳米示踪粒子，以其良好的跟随性及光散射特性，能够准确地跟随超声速流场复杂结构、同时有效地散射激光以提供高信噪比的实验图像。分辨率为2K×2K的行间传输的双曝光CCD负责图像的记录，其双曝光的时间间隔最短为0.2μs。同步控制器的时间精度为250ps，可根据计算机发出的指令对激光器与CCD进行同步控制，确保两束激光的出光时间与CCD两次曝光的时间相对应，从而获得超声速流场的瞬态图像。而计算机则负责设置同步器参数、存储并处理图像数据。

NPLS技术在测量流场平面结构时表现出极好的性能，但是对某些特定的模型，如旋成体模型的表面流场，则无法测量该类曲面的表面流场。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声速流场NPLS三维结构显示系统及方法，以解决现有技术无法显示旋成体或曲面物体表面的超声速流场NPLS的精细三维结构的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超声速流场NPLS三维结构显示系统，用于显示试验舱内的超声速流场，该系统包括：同步控制器、连接同步控制器并控制同步控制器发出控制信号的计算机及纳米粒子发生器，其中纳米粒子发生器向试验舱内撒播纳米粒子；连接于同步控制器的脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束通过透镜组形成曲面光源或圆锥体光源并照亮试验舱内携带纳米粒子的超声速流场；连接于同步控制器的多台CCD相机，多台CCD相机同时对超声速流场成像，从而同时获得不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并将不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像传输至计算机；计算机分析不同视角下的多幅超声速流场纳米粒子图像，并测量曲面流场结构或重构出流场的三维结构。

进一步地，脉冲激光器发射激光束与多台CCD相机的曝光是同步的。

进一步地，脉冲激光器的发射端设有光臂；脉冲激光器发射的激光束经由光臂导出并照亮超声速流场。

进一步地，光臂的出口处安装有透镜组，透镜组将脉冲激光器发射的激光束转换为曲面光源或圆锥体光源；曲面光源或圆锥体光源覆盖并照亮超声速流场。