一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统和方法技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统，包括：试验装置、第一诊断单元和第二诊断单元；其中，所述第一诊断单元的准直器发射激光信号，所述激光信号穿过所述试验装置的流场后由所述试验装置透射，透射后的激光信号被所述第一诊断单元的接收器接收，以获取所述流场内的平动温度；所述第二诊断单元采集所述流场中的辐射发光，以获取所述试验装置中流场内的电子温度。所述系统还包括：用于控制所述第一诊断单元与所述第二诊断单元的信号触发单元。由此，可以实现高频感应等离子加热器内及经喷管后高温流场的电子温度、平动温度的同步测量，进而可实现高频感应等离子加热风洞流场非平衡特性的定量评估。

A Non-equilibrium Diagnostic System for Flow Field in High Frequency Induction Wind Tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统和方法
本专利技术实施例涉及飞行器地面气动热试验研究领域，尤其涉及一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统和方法。
技术介绍
高频感应等离子加热器不存在传统的电弧加热器固有的电极烧蚀现象，可提供化学纯净的高温流场，是针对热环境气氛要求严格的防热材料表面催化特性、真实气体效应以及深空探测(火星、金星、Titan等)防热材料气动热考核等研究领域的重要试验平台。高频感应等离子加热器使用高频感应-耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体，这种独特的加热方式使高频感应等离子加热风洞流场与传统的电弧风洞流场差别巨大，高频感应等离子加热风洞流场中电子温度明显高于平动温度，即其具有典型的非平衡特征。因此仅采用传统的电弧风洞流场宏观参数测量例如总温、热流、压力等诊断方法已不能满足上述领域的研究需求，需要开展针对有物理化学过程的非平衡现象的研究，发展可靠有效的新型测量技术，深入到各自由度温度，如电子温度、平动温度等参数定量诊断，进而实现高频感应等离子加热风洞流场非平衡特性的有效评估。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统和方法，可以过对高温气流电子温度和平动温度的定量测量，实现高频感应等离子加热风洞流场非平衡特性的有效评估。第一方面，提供了一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统，包括：试验装置、第一诊断单元和第二诊断单元；其中，所述第一诊断单元的准直器发射激光信号，所述激光信号穿过所述试验装置的流场后由所述试验装置透射，透射后的激光信号被所述第一诊断单元的接收器接收，以获取所述流场内的平动温度；所述第二诊断单元采集所述流场中的辐射发光，以获取所述试验装置中流场内的电子温度；所述系统还包括：用于控制所述第一诊断单元与所述第二诊断单元的信号触发单元。在一个可能的实施方式中，所述试验装置包括：高频等离子加热器，喷管和试验舱；所述高频感应等离子加热器通过所述喷管与所述试验舱连接，用于使所述高频感应等离子加热器内产生的等离子体经所述喷管在所述试验舱中形成用于试验模型考核的流场，所述试验舱上设有多个光学检测窗口。在一个可能的实施方式中，所述第一诊断单元包括：TDLAS信号调制及数据处理模块，控制器，半导体激光器，光纤耦合器，F-P干涉仪，准直器和光电探测器；所述TDLAS信号调制及数据处理模块，用于接收所述信号触发单元输出的第一指令，并将根据所述第一指令生成的控制信号发送至所述控制器；所述控制器，用于根据所述控制信号调谐所述半导体激光器中待输出的激光信号；所述半导体激光器，用于向所述光纤耦合器输出激光信号；所述光纤耦合器，用于将所述激光信号分为第一激光信号和第二激光信号，其中，通过第一光纤将所述第一激光信号传输至所述准直器，所述准直器将所述第一激光信号发射至所述试验装置内的流场后，由所述试验装置透射，透射后的所述第一激光信号被所述接收器接收，所述接收器通过第三光纤将所述第一激光信号传输至所述光电探测器进行透射光强信号的转换，所述光电探测器还用于将所述透射光强信号传输至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述光纤耦合器还通过第二光纤与所述F-P干涉仪连接，用于将所述第二激光信号传输至所述F-P干涉仪进行时间尺度-波长尺度的关系标定，所述F-P干涉仪还用于将标定的时间尺度-波长尺度的关系发送至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述TDLAS信号调制及数据处理模块还用于根据接收的所述时间尺度-波长尺度的关系和所述透射光强信号，确定流场内的平动温度值。在一个可能的实施方式中，所述第二诊断单元包括：数据分析模块、光谱仪和采集模块；所述数据分析模块，用于接收所述信号触发单元输出的第二指令，并发送至所述光谱仪；所述光谱仪，用于根据所述第二指令控制所述采集模块；所述采集模块，用于采集流场内的多个测点的辐射发光，并将所述辐射发光通过第四光纤传输至所述光谱仪；所述光谱仪还用于将所述辐射发光转换为对应的光谱图像，并将所述光谱图像发送至所述数据分析模块；所述数据分析模块还用于根据谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，确定测点处的电子温度值。在一个可能的实施方式中，所述第一光纤和所述第二光纤为单模光纤，第三光纤为多模光纤，第四光纤为石英光纤。第二方面，本专利技术还提供了一种高频感应风洞流场非平衡性诊断方法，采用一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统，包括以下步骤：使高频感应等离子加热器内产生的等离子体经喷管在试验舱中形成用于考核试验模型的流场；通过第一诊断单元获取所述流场内的平动温度值；通过第二诊断单元获取所述流场内的电子温度值；根据所述平动温度值和所述电子温度值对所述流场进行非平衡性的有效评估。在一个可能的实施方式中，DLAS信号调制及数据处理模块接收信号触发单元输出的第一指令，根据所述第一指令生成控制信号，将所述控制信号发送至控制器；所述控制器根据所述控制信号调谐半导体激光器中待输出的激光信号；所述半导体激光器向光纤耦合器输出激光信号；所述光纤耦合器将所述激光信号分为第一激光信号和第二激光信号，其中，将所述第一激光信号传输至准直器，所述准直器将所述第一激光信号发射至所述试验装置内的流场后，由所述试验装置透射，透射后的所述第一激光信号被所述接收器接收，并通过第三光纤将所述第一激光信号传输至所述光电探测器进行透射光强信号的转换，并通过光电探测器将所述透射光强信号传输至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述光纤耦合器将所述第二激光信号传输至所述F-P干涉仪进行时间尺度-波长尺度的关系标定，所述F-P干涉仪将标定的时间尺度-波长尺度的关系标定发送至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述TDLAS信号调制及数据处理模块根据接收的所述时间尺度-波长尺度的关系和所述透射光强信号，确定流场内的平动温度值。在一个可能的实施方式中，所述TDLAS信号调制及数据处理模块根据接收的所述时间尺度-波长尺度的关系和所述透射光强信号，确定流场内的平动温度值，具体包括：TDLAS信号调制及数据处理模块基于所述透射光强信号提取其基线信号，将所述透射光强信号与所述基线信号对比并取对数，作为拟合对象进行Gauss曲线拟合。通过接收的时间尺度-波长尺度的关系对透射光强信号进行时域和频域转换，得到曲线的多普勒展宽，根据多普勒展宽与平动温度的关系，获取沿光程的平动温度均值；所述多普勒展宽与平动温度的关系为：其中：c为光速，M为吸收组分的摩尔质量，k为玻尔兹曼常数，v0为原子吸收谱线的中心频率。在一个可能的实施方式中，通过第二诊断单元获取所述流场内的电子温度值，具体包括：数据分析模块接收所述信号触发单元输出的第二指令，并将所述第二指令发送至光谱仪；所述光谱仪根据所述第二指令控制所述采集模块；所述采集模块对流场内的多个测点的辐射发光进行采集，并将所述辐射发光传输至所述光谱仪；所述光谱仪根据所述辐射发光转换为对应的光谱图像，并将所述光谱图像发送至所述数据分析模块；所述数据分析模块根据谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，确定测点处的电子温度值。在一个可能的实施方式中，所述数据分析模块根据谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系为：式中，λ为谱线中心波长，gk为谱线高能级简并度，A为谱线的爱因斯坦自发辐射系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统，其特征在于，包括：试验装置、第一诊断单元和第二诊断单元；其中，所述第一诊断单元的准直器发射激光信号，所述激光信号穿过所述试验装置的流场后由所述试验装置透射，透射后的激光信号被所述第一诊断单元的接收器接收，以获取所述流场内的平动温度；所述第二诊断单元采集所述流场中的辐射发光，以获取所述试验装置中流场内的电子温度。

【技术特征摘要】
1.一种高频感应风洞流场非平衡性诊断系统，其特征在于，包括：试验装置、第一诊断单元和第二诊断单元；其中，所述第一诊断单元的准直器发射激光信号，所述激光信号穿过所述试验装置的流场后由所述试验装置透射，透射后的激光信号被所述第一诊断单元的接收器接收，以获取所述流场内的平动温度；所述第二诊断单元采集所述流场中的辐射发光，以获取所述试验装置中流场内的电子温度。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述试验装置包括：高频等离子加热器，喷管和试验舱；所述高频感应等离子加热器通过所述喷管与所述试验舱连接，用于使所述高频感应等离子加热器内产生的等离子体经所述喷管在所述试验舱中形成用于试验模型考核的流场，所述试验舱上设有多个光学检测窗口。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一诊断单元包括：TDLAS信号调制及数据处理模块，控制器，半导体激光器，光纤耦合器，F-P干涉仪，准直器和光电探测器；所述TDLAS信号调制及数据处理模块，用于接收所述信号触发单元输出的第一指令，并将根据所述第一指令生成的控制信号发送至所述控制器；所述控制器，用于根据所述控制信号调谐所述半导体激光器中待输出的激光信号；所述半导体激光器，用于向所述光纤耦合器输出激光信号；所述光纤耦合器，用于将所述激光信号分为第一激光信号和第二激光信号，其中，通过第一光纤将所述第一激光信号传输至所述准直器，所述准直器将所述第一激光信号发射至所述试验装置内的流场后，由所述试验装置透射，透射后的所述第一激光信号被所述接收器接收，所述接收器通过第三光纤将所述第一激光信号传输至所述光电探测器进行透射光强信号的转换，所述光电探测器还用于将所述透射光强信号传输至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述光纤耦合器还通过第二光纤与所述F-P干涉仪连接，用于将所述第二激光信号传输至所述F-P干涉仪进行时间尺度-波长尺度的关系标定，所述F-P干涉仪还用于将标定的时间尺度-波长尺度的关系发送至所述TDLAS信号调制及数据处理模块；所述TDLAS信号调制及数据处理模块还用于根据接收的所述时间尺度-波长尺度的关系和所述透射光强信号，确定流场内的平动温度值。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二诊断单元包括：数据分析模块、光谱仪和采集模块；所述数据分析模块，用于接收所述信号触发单元输出的第二指令，并发送至所述光谱仪；所述光谱仪，用于根据所述第二指令控制所述采集模块；所述采集模块，用于采集流场内的多个测点的辐射发光，并将所述辐射发光通过第四光纤传输至所述光谱仪；所述光谱仪还用于将所述辐射发光转换为对应的光谱图像，并将所述光谱图像发送至所述数据分析模块；所述数据分析模块还用于根据谱线辐射强度与对应谱线高能级能量之间的关系，确定测点处的电子温度值。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤，所述第三光纤为多模光纤，所述第四光纤为石英光纤。6.一种高频感应风洞流场非平衡性诊断方法，采用权利要求1-5任一所述的一种风洞流场特性诊断系统，其特征在于，包括以下步骤：使高频感应等离子加热器内产生的等离子体经喷管在试验舱中形成用于考核试验模型的流场；通过第一诊断单元获取所述流场内的平动温度；通过第二诊断单元获取所述流场内...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鑫，李飞，余西龙，欧东斌，曾徽，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11