基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF风洞实验方法技术

本发明专利技术涉及一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF(Plane Laser Induced Fluorescence，平面激光诱导荧光)成像风洞实验方法，诊断系统包括激光光源系统、片状光束整形系统、PLIF图像探测系统和丙酮示踪剂供给系统，将丙酮作为示踪粒子，在常规高超风洞的真空环境下进行粒子投放，得到其在高超声速流场中的荧光信号，应用PLIF测量技术，获得了高超声速流场的二维图像。

【技术实现步骤摘要】
基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF风洞实验方法
本专利技术涉及一种高超声速风洞实验方法，是一种对高超声速外流场进行非接触测量的流场显示方法，属于流场测量

技术介绍
高超声速PLIF(PlaneLaserInducedFluorescence，平面激光诱导荧光)成像诊断测量技术是一种新型无干扰流场测试技术，可实现浓度场与温度场的高精度可视化测量。它具有非介入测量，不干扰流场；时间分辨率ns量级，可提供流场瞬态信息；空间分辨率可达μm量级，可获得高精度流场空间结构信息以及抗干扰能力强等优点。近年来，在流场测量领域，越来越受到关注。该系统可用于获取跨声速流场、超声速流场以及高超声速流场的二维图像，为该速域飞行器涉及提供技术支撑，检验完善了飞行器仿真设计模型，保证了高超飞行器试飞成功。目前仅美国NASA可以成熟地开展了相关流场的高超声速PLIF成像诊断。对于流场测量来说，高超声速PLIF成像诊断测量技术需要在流场中补充示踪粒子(剂)。以美国NASA为例，其试验中所用的示踪剂为一氧化氮(NO)。NO常温下为气体，有毒性，并且常规高超声速风洞下游为密封的真空容器，因此如采用NO作为示踪剂将具有一定的危险性。丙酮(CH3COCH3)是一种无色、无毒、有特殊辛辣气味的气体。易溶于水、醇和醚。其在常温下是液态，易挥发，沸点为56℃，分子量为58。将其选用为示踪剂是高速PLIF成像诊断测量的极佳的选择。但是根据以往公开的文献以及计算，在风洞喷管前的稳定段内进行示踪粒子的投放无法满足PLIF试验条件，具体原因是气流经过稳定段后进入喷管，过喉道后急剧膨胀，静温急剧降低，加热挥发出的丙酮蒸汽易液化，且主流气流量较大，示踪剂浓度无法达到要求。
技术实现思路
为了克服现有PLIF成像诊断测量技术采用NO(g)作为示踪剂对实验人员造成的伤害，本专利技术设计了一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统。该系统不仅克服了丙酮在高超声速流场中易液化的缺陷，同时保证了测量试验的安全性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统，所述基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统包括激光光源系统、片状光束整形系统、PLIF图像探测系统和丙酮示踪剂供给系统。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的激光光源系统采用Nd:YAG激光器，其激光重复频率和单脉冲激光能量可根据拍摄对象，进行调节。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的片状光束整形系统是激光器发出的激光经过爬高光路到达导轨，然后选取激光能量均匀的部分，经过片光整形光路整形成一定宽度和厚度的片光，最后经由大口径的反射镜将片光反射入高超声速风洞实验装置中。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的PLIF图像探测系统由成像镜头和滤光片组成，根据示踪剂的荧光光谱特性，选择带通滤光片，在示踪剂辐射荧光光谱范围内，滤光片透过率大于95％，并有效截止散射光。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的丙酮示踪剂供给系统采用丙酮作为示踪剂，将丙酮投入到高超声速气流主流中去，以进行PLIF流场可视化实验。作为本专利技术的一种优选技术方案，要根据激光能量强度，计算丙酮的体积分数。具体的计算方法如下：公式(1)为线性激发时丙酮的荧光强度公式。其中，E是激光能量密度，λ是激光激发波长，ηopt为探测系统量子效率，dVc为单个像元对应的成像体积，N为丙酮的粒子数密度，σ是丙酮分子吸收横截面积，ηΩ为探测系统的收集效率，φ是荧光效率。本专利技术所述的基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统具有以下有益效果：1.基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统对高超声速风洞相关改造，不会对流场造成较大影响；2.基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统具有高空间分辨率、快速时间响应、高灵敏度、抗干扰能力强等优点；3.基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统所用的示踪剂为丙酮，保证了高超声速风洞流场气体的无害化；4.基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统中的丙酮示踪剂供给系统能够保证示踪剂的流量和浓度可调且稳定的同时，保证示踪剂能够均匀的注入到主流中。附图说明图1基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统的实验装置示意图；图2基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统总体设计方案示意图；图3激光片光整形系统示意图；图4丙酮示踪剂供给系统结构示意图；图5斜劈模型实物图；图6高超声速流场实验获得的斜劈PLIF图像；图7高超声速流场实验获得的圆形障碍物PLIF图像(圆形障碍物直径为10mm，高5mm)；图8高超声速风洞示意图；图9激光片光整形系统实物图；图10带激光片光的斜劈模型照片；图11ICCD相机位置照片。图中标号：1、Nd:YAG激光器；2、激光片光整形系统；3、ICCD相机；4、高超声速风洞；5、光源；6、光阑；7、柱面负透镜；8、柱面正透镜1(准直)；9、柱面正透镜2(聚焦)；10、反射镜；11、空气压缩机；12、球阀；13、针阀；14、示踪剂丙酮；15、热电偶；16、压力表；17、流量控制系统；18、加热配电箱；19、斜劈模型；20、真空球罐；21、真空闸板阀；22、风洞驻室及试验段；23、喷管；24、加热器及热阀；25、阀门系统；27、高压气源；具体实施方案下面结合附图对本专利技术的实施方式做详细说明：基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统，其特征在于，所述基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统包括激光光源系统、片状光束整形系统、PLIF图像探测系统和丙酮示踪剂供给系统。所述的激光光源系统采用Nd:YAG激光器，其激光重复频率和单脉冲激光能量可根据拍摄对象，进行调节。Nd:YAG激光器，基频光为1064nm，经4倍频后产生266nm的紫外激光，具体性能指标如下：1)重复频率：10-100Hz；2)单脉冲激光能量：5-12mJ@266nm；3)脉冲宽度：～7ns。所述的片状光束整形系统是激光器发出的激光经过爬高光路到达导轨，然后选取激光能量均匀的部分，经过片光整形光路整形成一定宽度和厚度的片光，最后经由大口径的反射镜将片光反射入风洞实验装置中。本次测试的片光整形系统主要由光束整形光路、爬升光路、光学导轨、升降台和其它光路调节机构组成。具体由以下光学元件组成：光学导轨(尺寸边长×长度：95×2000mm)；光学导轨安装板；光学导轨升降台；透镜底座套筒；头镜架连杆；ICCD相机固定座和连接杆(用M6螺丝与风洞装置连接固定)；爬高光路系统；(高度550mm)；棱镜和反射镜若干，用于激光反射等；滤光片若干；片光整形透镜组(片光尺寸：高度50～100mm)；大口径高反镜(口径>100mm，全带宽金属膜反射镜或同时反射266、355、532nm反射镜，探测窗与条纹相机之间距离为220mm)；ICCD相机镜头到探测区域距离：～1300mm，镜头口径50mm探测收集效率：～0.01％。所述的PLIF图像探测系统由成像镜头和滤光片组成，根据示踪剂的荧光光谱特性，选择带通滤光片，在示踪剂辐射荧光光谱范围内，滤光片透过率大于95％，并有效截止散射光。由于高超声速风洞结构，实验中探测距离较远(1.5m)，因此选择大口径长焦镜头。所述的丙酮示踪剂供给系统采用丙酮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF风洞实验方法，本实验在高超声速风洞中进行，包括如下步骤：第一步、将斜劈模型固定在高超声速风洞攻角机构上，使模型上表面保持水平，调节模型上下、前后位置，使其置于激光片光入射窗中央；第二步、将加热带均匀的缠绕在与模型后端相连接的丙酮输入管上，将加热带电极和输入管通过法兰引出高超声速风洞驻室；第三步、打开Nd：YAG激光器，调节片光整形系统，先使激光器发出的波长为1064nm基频光经4倍频后产生266nm的紫外激光，紫外激光经过由透镜组整形成高度为50～70mm大小的片光，最后经由大口径的反射镜将片光经风洞两侧的观察窗反射入风洞驻室中，并使片光置于斜劈模型合适位置；第四步、将带有滤光片的ICCD相机置于高超声速风洞驻室顶部，调节相机位置与成像镜头焦距，使其透过紫外观察窗可以清晰显示激光片光区域；第五步、关闭风洞驻室，打开高超声速风洞旁路阀，使驻室压强与真空球压强平衡，打开真空闸板阀，将风洞下游压强抽至满足高超声速实验要求；第六步、按照计算得到的丙酮体积分数，将一定量的纯丙酮加至丙酮发生器内，打开加热电源使发生器温度达到90℃，通过连接的压力表可判断液体丙酮是否完全汽化，同时加热配电箱也将控制丙酮输入管上缠绕的加热带温度，以防止丙酮蒸汽在输入管内液化；第七步、打开与丙酮发生器相连的空气压缩机，使空压机气罐压强达到2MPa，打开针阀，为丙酮发生器冲入空气进行稀释，当压力表达到一定数值(丙酮摩尔浓度约为18％)时，关闭针阀；第八步、按照高超声速风洞实验步骤，依次打开液压站、气源总阀、截止阀、加热器充气阀，使加热器中压强达到实验要求压强；第九步、打开球阀，对丙酮输入管进行吹除，避免残留的丙酮以及其他微粒对实验的干扰，吹除完毕关闭球阀；第十步、打开流量控制系统，使丙酮蒸汽均匀的从模型前端细缝中喷出，同时打开数字延时信号发生器，使激光光源发出的激光片光和探测器接收频率相符合，此时通过ICCD相机可监视到丙酮示踪剂荧光信号；第十一步、通过高超声速风洞控制系统打开气流快速阀和加热器热阀，同步触发高超声速风洞PLIF图像记录系统、流场总压测试系统，在建立高超声速流场的同时，得到斜劈模型的PLIF图像；第十二步、关闭气流快速阀和加热器热阀，本次试验结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF风洞实验方法，本实验在高超声速风洞中进行，包括如下步骤：第一步、将斜劈模型固定在高超声速风洞攻角机构上，使模型上表面保持水平，调节模型上下、前后位置，使其置于激光片光入射窗中央；第二步、将加热带均匀的缠绕在与模型后端相连接的丙酮输入管上，将加热带电极和输入管通过法兰引出高超声速风洞驻室；第三步、打开Nd：YAG激光器，调节片光整形系统，先使激光器发出的波长为1064nm基频光经4倍频后产生266nm的紫外激光，紫外激光经过由透镜组整形成高度为50～70mm大小的片光，最后经由大口径的反射镜将片光经风洞两侧的观察窗反射入风洞驻室中，并使片光置于斜劈模型合适位置；第四步、将带有滤光片的ICCD相机置于高超声速风洞驻室顶部，调节相机位置与成像镜头焦距，使其透过紫外观察窗可以清晰显示激光片光区域；第五步、关闭风洞驻室，打开高超声速风洞旁路阀，使驻室压强与真空球压强平衡，打开真空闸板阀，将风洞下游压强抽至满足高超声速实验要求；第六步、按照计算得到的丙酮体积分数，将一定量的纯丙酮加至丙酮发生器内，打开加热电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：董昊，刘松，李铮，彭江波，刘是成，夏天宇，张亚晓，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32