一种入射激波三维结构测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种入射激波三维结构测量装置及测量方法，涉及空气动力学领域。本发明专利技术的测量装置包括拉瓦尔喷管、等直管道、斜楔、旋转角度盘、导轨、光源、背景图案板、高速相机等部件。本发明专利技术装置结构简单、操作方便，模型采用流动/测量一体化设计，可实现对入射激波的三维重构以及流场密度场、壁面摩擦力场的测量。

An apparatus for measuring three-dimensional structure of incident shock wave and its measuring method

The invention discloses an incident shock wave three-dimensional structure measuring device and a measuring method, which relates to the field of aerodynamics. The measuring device of the invention comprises a Laval nozzle, a straight pipe, a wedge, a rotating angle plate, a guide rail, a light source, a background pattern plate, a high-speed camera, etc. The device has simple structure and convenient operation, and the model adopts the integrated design of flow/measurement, which can realize the three-dimensional reconstruction of incident shock wave, the measurement of flow field density field and wall friction field.

【技术实现步骤摘要】
一种入射激波三维结构测量装置及测量方法
本专利技术属于空气动力学
，具体指代一种基于背景纹影测量技术与液晶涂层技术的入射激波三维结构测量装置及测量方法。
技术介绍
在超声速/高超声速飞行器流场的研究中，激波是一种基础流场结构，与此相耦合的激波/激波、激波/附面层干扰流动一直以来都是高速空气动力学领域的研究热点和重点。长久以来，许多学者都致力于对与激波相关的三维流场结构的研究，这对飞行器的系统设计、工程应用均具有重要意义。目前本领域内对含激波的超声速流场常用的测量方法主要包括：高速纹影技术、粒子图像测速技术（PIV-ParticleImageVelocimetry）、油流/液晶涂层显示技术等。这些技术主要存在以下缺点：首先，其中一些技术只能对流场进行定性测量，无法获得定量信息；其次，大多数方法对测量光路有着严格的要求，操作过程十分繁琐，甚至会干扰测量流场。上述这些因素已成为超声速流场三维重构技术发展的主要阻碍。因此，本领域技术人员急需开发一种简单、高效的新技术，以完成对激波结构的三维刻画任务。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种入射激波三维结构测量装置及测量方法，以改善现有测量技术对光路、设备和操作的严格要求，并达到对流场定量测量和激波三维重构的目的。本专利技术基于背景纹影测量技术和液晶涂层技术两种测量技术，简单、方便、快捷地完成对超声速流场中激波的测量过程，随后通过数字图像后处理技术，完成对激波三维结构的还原。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种入射激波三维结构测量装置，包括：斜楔、拉瓦尔喷管、背景图案板、光源、导轨、高速相机A、高速相机B、等直管道、旋转角度盘，其中，斜楔安装在等直管道的上壁面，位于拉瓦尔喷管出口处，等直管道与拉瓦尔喷管相连，形成超声速流场区，三者共同组成流场管道模型，斜楔用以产生入射激波；光源、背景图案板与高速相机B分别位于流场管道模型两侧，三者均通过支架设于导轨上；光源、背景图案板位于等直管道一侧，产生的非平行光线穿过超声速流场区，被另一侧的高速相机B接收；导轨固定在旋转角度盘中心；调节旋转角度盘，使导轨绕铅垂线进行多角度转动，实现在多角度光路上的测量试验；高速相机A固定在流场管道模型的上游位置；流场管道模型置于导轨上方。优选地，所述拉瓦尔喷管出口处的超声速气流在斜楔前缘产生了一道入射激波并延伸至等直管道下壁面。优选地，所述等直管道侧壁面采用光学玻璃材质，下壁面为液晶涂层技术测量平面，需进行氧化发黑处理。优选地，所述光源、背景图案板和高速相机B底端的支架可滑动地嵌入导轨两侧的凹槽中。优选地，所述光源产生的非平行光线经过背景图案板、流场管道模型后由高速相机B接收，形成背景纹影测量技术测量光路。优选地，所述的旋转角度盘不能过大，应使得导轨与等直管道的夹角在0-45度，否则将影响背景纹影测量技术对流场测量的精度。优选地，所述导轨与旋转角度盘之间由螺栓连接，根据旋转角度盘上的角度刻度尺，将导轨和测量光路沿铅垂线旋转，最大旋转角为360度。优选地，所述高速相机A的镜头对准等直管道下壁面。本专利技术的一种入射激波三维结构测量方法，包括步骤如下：步骤1：将液晶涂层喷涂在等直管道下壁面；步骤2：调节导轨与等直管道互相垂直后，使背景图案板与流场管道模型的间距为待测流场宽度的8-10倍；步骤3：进行风洞试验，采用背景纹影测量技术测量入射激波区域的空间流场结构；采用液晶涂层技术测量入射激波区域的壁面流场结构；步骤4：调节旋转角度盘，将导轨沿刻度盘旋转一定角度，重复上述步骤3；持续操作2～3次；步骤5：将试验测得的空间流场和壁面流场耦合后得到入射激波的三维结构。优选地，所述的步骤1具体为：将液晶涂层均匀地喷涂于可拆卸等直管道下壁面板后，将可拆卸下壁面板用螺钉固定在等直管道内，保证可拆卸下壁面板与拉瓦尔喷管出口表面平整光滑连接。优选地，所述的步骤3具体为：对于液晶涂层技术，高速相机A需要记录入射激波形成以后的下壁面颜色分布情况；对于背景纹影测量技术测量，需要记录入射激波形成前后，背景图案在高速相机B中的成像信息。优选地，所述的步骤4具体为：在进行导轨角度变化的过程中，角度调节需朝同一方向进行，并且最大旋转角度不应超过45度。优选地，所述的步骤5具体为：利用互相关算法对背景纹影测量技术测量图片进行解算，得到待测流场形成前后图像的相对位移量场和密度梯度场；根据测量结果中入射激波的像素宽度值及其对应的光路旋转角，推算出激波实际宽度分布；近壁面的复杂流场区域需根据液晶涂层技术测量结果辅助分析。本专利技术的有益效果：本专利技术利用光源、背景图案板、等直管道和高速相机组成背景纹影测量技术测量光路，能够对超声速流场进行定量测量。借助底部的旋转角度盘，可以将导轨沿铅垂线旋转一定角度，实现对流场在不同光路下的背景纹影测量技术测量试验。然后，借助基于剪切敏感液晶涂层的测量结果，可以准确分析下壁面附近复杂的流场结构。本专利技术具有以下优点：结构简单、操作方便、对设备要求较低；将液晶涂层技术与背景纹影测量技术相结合，提升了激波三维重构结果精度。附图说明图1为本专利技术测量装置的结构示意图；图2为本专利技术中流场管道模型的轴侧示意图；图3为本专利技术中流场管道模型的剖视示意图；图4为本专利技术中背景纹影测量技术测量光路的角度旋转示意图；图5为本专利技术中背景图案板示意图；图6为本专利技术中旋转角度盘示意图；图7为本专利技术中支架与导轨连接处截面示意图。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。参照图1所示，本专利技术的一种入射激波三维结构测量装置，包括：斜楔1、拉瓦尔喷管2、背景图案板3、光源4、支架5、导轨6、高速相机A7、高速相机B8、等直管道9、旋转角度盘10，其中，所述拉瓦尔喷管2出口处的超声速气流在斜楔1前缘产生了一道入射激波并延伸至等直管道9下壁面。等直管道9侧壁面材料为光学玻璃，具备高透光性，方便光线传播；等直管道下壁面为液晶涂层技术测量平面，需进行氧化发黑处理，提升液晶涂层平面的颜色对比度，便于观察液晶涂层技术测量结果，如图2所示；所述斜楔1的安装位置紧靠拉瓦尔喷管2出口上壁面处，且拉瓦尔喷管2与等直管道9需平直连接，连接处光滑水平过渡，保证流场的均匀性，如图3所示。所述光源4、背景图案板3和高速相机B8底部的支架5嵌入导轨6的凹槽，均可沿导轨滑动，以调节各器材的相对间距。光源4产生的非平行光线经背景图案板3、流场管道模型后由高速相机B8接收，形成背景纹影测量技术测量光路。高速相机A7由相机支架（图中未做标识）固定在流场管道模型上游侧边，镜头对准等直管道9下壁面。通过调节旋转角度盘10，可以将导轨6沿铅垂线旋转一定角度。根据现有经验，此角度一般应小于±45°（以垂直于等直管道9的背景纹影测量技术光路为0°基准）。如图4所示。所述背景图案板3表面分布着大量无规则的小斑点31，用以在高速相机B8中呈现背景图像；整块板必须具备高透光性，保证整个背景纹影测量技术测量光路的高效运行。如图5所示。所述旋转角度盘10由可旋转的内盘102和固定的外盘101组成，导轨6通过螺栓与内盘102连接固定。旋转角度盘10在两盘均刻有角度刻度尺103，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种入射激波三维结构测量装置，其特征在于，包括：斜楔（1）、拉瓦尔喷管（2）、背景图案板（3）、光源（4）、导轨（6）、高速相机A（7）、高速相机B（8）、等直管道（9）、旋转角度盘（10），其中，斜楔（1）安装在等直管道（9）的上壁面，位于拉瓦尔喷管（2）出口处，等直管道与拉瓦尔喷管相连，三者共同组成流场管道模型；光源（4）、背景图案板（3）与高速相机B（8）分别位于流场管道模型两侧，三者均通过支架（5）设于导轨（6）上；导轨（6）固定在旋转角度盘（10）中心；调节旋转角度盘（10），使导轨（6）绕铅垂线进行多角度转动，实现在多角度光路上的测量试验；高速相机A（7）固定在流场管道模型的上游位置；流场管道模型置于导轨（6）上方。

【技术特征摘要】
1.一种入射激波三维结构测量装置，其特征在于，包括：斜楔（1）、拉瓦尔喷管（2）、背景图案板（3）、光源（4）、导轨（6）、高速相机A（7）、高速相机B（8）、等直管道（9）、旋转角度盘（10），其中，斜楔（1）安装在等直管道（9）的上壁面，位于拉瓦尔喷管（2）出口处，等直管道与拉瓦尔喷管相连，三者共同组成流场管道模型；光源（4）、背景图案板（3）与高速相机B（8）分别位于流场管道模型两侧，三者均通过支架（5）设于导轨（6）上；导轨（6）固定在旋转角度盘（10）中心；调节旋转角度盘（10），使导轨（6）绕铅垂线进行多角度转动，实现在多角度光路上的测量试验；高速相机A（7）固定在流场管道模型的上游位置；流场管道模型置于导轨（6）上方。2.根据权利要求1所述的入射激波三维结构测量装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管（2）出口处的超声速气流在斜楔（1）前缘产生了一道入射激波并延伸至等直管道（9）下壁面。3.根据权利要求1所述的入射激波三维结构测量装置，其特征在于，所述等直管道（9）侧壁面采用光学玻璃材质，下壁面为液晶涂层技术测量平面，需进行氧化发黑处理。4.根据权利要求1所述的入射激波三维结构测量装置，其特征在于，所述光源（4）、背景图案板（3）和高速相机B（8）底端的支架（5）可滑动地嵌入导轨（6）两侧的凹槽中。5.根据权利要求1所述的入射激波三维结构测量装置，其特征在于，所述导轨（6）与旋转角度盘（10）之间由螺栓连接，根据旋转角度盘（10）上的角度刻度尺，将导轨（6）和测量光路沿铅垂线旋转，最大旋转角为360度。6.一种入射激波三维结构测量方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成鹏，徐培，王英玉，杨馨，
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