[发明专利]基于高速纹影的超声速分离区测量装置及测量方法

说明书

公开一种超声速分离区产生装置，包括扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4、压缩拐角流动测试模型5、真空舱6、真空泵组7。还公开一种基于高速纹影的超声速分离区测量装置，包括：氙光灯401，光栅402，第一凹球面反射镜403，第一光学玻璃404，第二光学玻璃405，第二凹球面反射镜406，平面镜407，刀口408，高速相机409，图像后处理装置4010；以及一种基于高速纹影的超声速分离区测量方法。本发明通过获得超声速流场结构脉动变化水平，实现分离区大小可视化定量测量和位置的判定。

技术领域

本发明涉及超声速流场诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于高速纹影 的超声速分离区测量装置及测量方法。

背景技术

流动分离是超声速流动领域一个及其重要的问题，对于分离区尺寸、位置 的判断、预测和诊断有着十分重要的意义。通过非接触式手段实现精准、实时、 快速测量流场结构，在航空航天、军事等领域应用广泛。分离区尺寸的测量方 法的研究一直是国内外超声速领域的热点问题。非接触式的流场诊断方法一般 分为两大类：一类是通过平行光束穿过可压缩超声速流场，光速受到流场密度 梯度变化扰动发生偏转，通过接收装置成像，发生偏折的光束在成像面上发生 照度的变化，从而得到我们所需要的流场结构，但是密度梯度变化较大的流场 结构才能很好的提取，例如激波。这类方法装置结构简单，便于操作。缺点是 无法判定低脉动水平结构，例如分离区的尺寸和位置。纹影技术就属于这类方 法。另一类是通过在流场中注入纳米级别的示踪粒子，通过纳秒脉冲激光短时 间照亮流场，利用示踪粒子在很短时间间隔内的位移来间接的测量流场瞬态速 度分布。这类技术具有较高测量精度，可以精确的捕捉超声速流场的全部结构， 包括分离区大小，缺点是对示踪粒子的质量、大小、分布、折射率以及均匀性 要求很高，测试装置复杂，不便于操作。PIV，激光多普勒测速就属于这类方法。 近年来，利用计算机图像后处理技术等手段来处理原始图像获得超声速流动结 构分布取得了一定进展。

纹影法是一种进行流场显示和测量的常见方法，能够实现快速的气流可视 化，可以作为一种非接触式方法测量超声速流场结构。纹影技术在现代快速发 展的数字图像后处理技术的帮助下，在超声速流动分离区的测量中可以作为定 量的分析手段。虽然超声速PIV等测试手段测试分离区更为精确，但其建设、 维护及保养费用高昂，操作起来十分复杂。在超声速流动实验中，人们往往期 望需要及时获得分离区大小并希望快速、直观地观察其现象。因此，设计一种 性价比高且操作简单的非接触式纹影测量分离区的实验装置及纹影图片后处理 方法更加有意义。

发明内容

本发明为了克服纹影法在定量分析技术上的缺陷，同时避免采用更为昂贵 的PIV技术，提供一种超声速分离区产生装置，包括扩张段1、扩张段法兰2、 超声速喷管3、实验舱4、真空舱6、真空泵组7；其特征在于，还包括压缩拐 角流动测试模型5；风洞进口为大气环境；所述超声速分离区产生装置从前往后 依次是扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4，压缩拐角流动测试 模型5和真空舱6；

扩张段1，其为本领域惯用的扩张段结构，大气从扩张段1进入所述超声速 分离区产生装置；

扩张段法兰2，其实际属于扩张段1，用于将扩张段1的两部分连接在一起； 通过在扩张段法兰2处加装膜片作为风洞启动开关；

超声速喷管3，其对经由扩张段1进入的大气进行加速并输出；

实验舱4，其为封闭的空腔结构，左、右两端面开通孔，超声速喷管出口 200从左端面通孔伸入到实验舱4中，位于真空舱6左端的扩压器从右端面通孔 伸入到实验舱4中，左右两个通孔接缝处均密封；实验舱4接受来自超声速喷 管3的气流，在实验舱4中的压缩拐角流动测试模型5附近产生实验所需来流 条件；

压缩拐角流动测试模型5，其被放置于实验舱4中，包括平板模型201，安 装在平板模型201后端上侧的斜坡202，和用于支承平板模型201的支承底座 203；

真空舱6；在风洞实验前，其用于形成真空环境；