一种高焓激波风洞总温测量方法技术

一种高焓激波风洞总温测量方法，属于风洞试验技术领域。本发明专利技术通过光致瞬态光栅光谱技术测得驻室气体声速，再根据高焓激波风洞驻室气体压力和化学平衡理论，利用数值迭代，计算出高焓激波风洞驻室气体的温度——即总温。

【技术实现步骤摘要】
一种高焓激波风洞总温测量方法
本专利技术涉及一种高焓激波风洞总温测量方法，属于风洞试验

技术介绍
高焓激波风洞在高温气体效应和高马赫数超燃冲压发动机等方面研究得到了广泛的应用，但受高温气体效应影响，即试验空气在被激波加热过程所伴随的分子振动激发、空气离解、电离等物理化学现象导致试验气体的组分、热力学参数发生较大变化，使其模拟参数难以准确确定，尤其是总温只能通过间接手段估算。目前，激波风洞模拟总温获取方法有两种。一种是通过测量激波管沿程壁面压力变化，获得激波管内激波的运动速度，再结合激波管试验气体的初始状态，根据激波动力学理论，间接计算出模拟总温。由于激波在激波管内存在明显的衰减，同时受压力传感器布置数量及激波管末端空间限制，这种基于激波速度推算总温的方法存在较大误差，而且不随时间变化，无法反映膨胀波等干扰效应。另一方法是通过球头热流推算总温，同样也存在很大误差，一方面是受高温气体效应影响，风洞来流空气速度、压力、温度和组分均无法测量；另一方面是来流空气经球头弓形激波的加热离解，产生辐射传热和表面催化效应，使得球头热流发生较大变化，使得球头热流标定法几乎无法使用；此外，热流传感器本身的精度也不足。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高焓激波风洞总温测量方法，通过光致瞬态光栅光谱技术测得驻室气体声速，再根据高焓激波风洞驻室气体压力和化学平衡理论，利用数值迭代，计算出高焓激波风洞驻室气体的温度——即总温。本专利技术的技术解决方案是：一种高焓激波风洞总温测量方法，包括如下步骤：S1，根据高焓激波风洞运行参数，粗估高焓激波风洞的驻室环境，包括高焓激波风洞内待测气体的组分、温度和压力范围；S2，由估算的高焓激波风洞驻室环境，确定示踪气体分子及其对应的激发和探测激光参数；S3，基于光致光栅光谱理论，建立匹配的光致光栅光谱测量系统；S4，利用预设测量环境，基于光致光栅光谱理论，开展标定试验，获取光致光栅光谱测量系统参数；S5，基于光致光栅光谱测量系统，开展高焓激波风洞总温测量试验，测得其光栅散射信号的频率f、以及高焓激波风洞驻室气体压力Pt；S6，基于光致光栅光谱理论，计算高焓激波风洞驻室气体的声速at；S7，根据化学平衡理论，获得高焓激波风洞驻室气体压力Pt、声速at与总温Tt之间的关联关系；S8，通过数值迭代，获得高焓激波风洞驻室气体总温Tt。进一步地，所述待测气体为激波加热后的高温高压离解或电离空气，示踪气体分子为一氧化氮，用于激发的脉冲激光中心波长为λpump＝226nm，用于探测的连续激光器中心波长为λprobe＝670nm。进一步地，所述光致光栅光谱测量系统包括一套脉冲激光器、一套连续激光器、时序控制器、反射镜、分束器、交叉透镜、光阱、滤光片、光电倍增管、示波器、石英观察窗和压力传感器；压力传感器安装在高焓激波风洞激波管末端，用于测量驻室气体压力，同时输出传感信号作为时序控制器启动的外触发信号；时序控制器接收到外触发信号，经一定时间延时后生成两路方波信号，分别发送到脉冲激光器和连续控制器，使脉冲激光器输出波长为λpump的瞬态激发光源以及连续激光器输出波长为λprobe探测光源；激发光源由反射镜或直接发送到50：50分束器，生成两束等光强相干激发光，再由反射镜和交叉透镜处理，穿过高焓激波风洞激波管末端的石英玻璃窗，以微小夹角θ聚焦于高焓激波风洞激波管内的高温高压待测空气，产生热膨胀或电致伸缩效应，形成波长为Λ的瞬态光栅；探测光源发送到10：90分束器，产生一束10％光强的调节光和一束90％光强的探测光，经交叉透镜和高焓激波风洞激波管末端的石英玻璃窗，以布拉格衍射角φ入射到激发光诱导的瞬态光栅上，产生一束沿着探测光方向传播的光强周期性变化的散射信号光，由布置在高焓激波风洞激波管另一侧的光电倍增管接收并转换为电信号，再通过示波器记录和显示；光电倍增管前方布置光阱和滤光片，以提高信噪比，其中光阱用于吸收两束激发光和调节光，滤光片用于过滤背景光。进一步地，所述光致光栅光谱测量系统参数包括光栅波长Λ、激发光夹角θ、探测光入射角φ；标定试验包括如下步骤：在室温条件下，激波管内充入空气和微量的一氧化氮，并测量室温值T室温和瞬态光栅散射信号的频率f室温，再由所测T室温和f室温反推获取，反推方法为：其中光栅性质c＝1或c＝2，通用气体常数Ru＝8.3145J/(mol·K)，γ和M分别为微量的一氧化氮与空气混合后的标定气体比热比和摩尔质量，由一氧化氮与空气混合比例及混合后压力计算得到。进一步地，所述高焓激波风洞驻室气体压力Pt、声速at与温度即总温Tt之间的关联关系为其中Y＝log10(ρ/1.292)，Z＝log10(e/78410.4)，X＝log10(Pt/101332.5)-Y，密度ρ单位为kg/m3，比内能e单位为m2/s2，压力Pt单位为Pa，声速at单位为m/s，温度Tt单位为K，α1～α24和β1～β24为常系数。进一步地，所述数值迭代包括如下步骤：step1，由Eq.2对Y和Z求偏导数，获得step2，由量热完全气体模型确定密度ρ和比内能e的预估值，即step3，将step2所得预估值ρ1和e1代入Eq.2和step1所得偏导数方程，可得预估值和step4，将step3所得预估值和代入Eq.3，计算得到新的比内能e2；step5，将step3所得和step4所得e2代入Eq.1，可得新的密度ρ2；step6，分别用step3和step4所得ρ2和e2代替step2所得ρ1和e1，重复step3、step4和step5，直到|ρn-ρn-1|<1E-5、|en-en-1|<1E-5，迭代结束，获得高焓激波风洞驻室气体密度ρt＝ρn和比内能et＝en；n为下标，表征迭代次数；step7，将step6所得ρt和et代入Eq.4，获得高焓激波风洞驻室气体总温Tt。一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述数值迭代的步骤。一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种高焓激波风洞总温测量方法的步骤。一种高焓激波风洞总温测量设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如所述一种高焓激波风洞总温测量方法的步骤。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术采用非侵入式点测量，通过两束瞬态相干激发激光以微小角度交叉于待测区域，诱导出瞬态光栅，再利用第三束连续激光以布拉格衍射角入射到该瞬态光栅，测量其散射信号光的信息，来实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高焓激波风洞总温测量方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，根据高焓激波风洞运行参数，粗估高焓激波风洞的驻室环境，包括高焓激波风洞内待测气体的组分、温度和压力范围；/nS2，由估算的高焓激波风洞驻室环境，确定示踪气体分子及其对应的激发和探测激光参数；/nS3，基于光致光栅光谱理论，建立匹配的光致光栅光谱测量系统；/nS4，利用预设测量环境，基于光致光栅光谱理论，开展标定试验，获取光致光栅光谱测量系统参数；/nS5，基于光致光栅光谱测量系统，开展高焓激波风洞总温测量试验，测得其光栅散射信号的频率f、以及高焓激波风洞驻室气体压力P

【技术特征摘要】
1.一种高焓激波风洞总温测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据高焓激波风洞运行参数，粗估高焓激波风洞的驻室环境，包括高焓激波风洞内待测气体的组分、温度和压力范围；
S2，由估算的高焓激波风洞驻室环境，确定示踪气体分子及其对应的激发和探测激光参数；
S3，基于光致光栅光谱理论，建立匹配的光致光栅光谱测量系统；
S4，利用预设测量环境，基于光致光栅光谱理论，开展标定试验，获取光致光栅光谱测量系统参数；
S5，基于光致光栅光谱测量系统，开展高焓激波风洞总温测量试验，测得其光栅散射信号的频率f、以及高焓激波风洞驻室气体压力Pt；
S6，基于光致光栅光谱理论，计算高焓激波风洞驻室气体的声速at；
S7，根据化学平衡理论，获得高焓激波风洞驻室气体压力Pt、声速at与总温Tt之间的关联关系；
S8，通过数值迭代，获得高焓激波风洞驻室气体总温Tt。


2.根据权利要求1所述的一种高焓激波风洞总温测量方法，其特征在于：所述待测气体为激波加热后的高温高压离解或电离空气，示踪气体分子为一氧化氮，用于激发的脉冲激光中心波长为λpump＝226nm，用于探测的连续激光器中心波长为λprobe＝670nm。


3.根据权利要求1所述的一种高焓激波风洞总温测量方法，其特征在于：所述光致光栅光谱测量系统包括一套脉冲激光器、一套连续激光器、时序控制器、反射镜、分束器、交叉透镜、光阱、滤光片、光电倍增管、示波器、石英观察窗和压力传感器；
压力传感器安装在高焓激波风洞激波管末端，用于测量驻室气体压力，同时输出传感信号作为时序控制器启动的外触发信号；
时序控制器接收到外触发信号，经一定时间延时后生成两路方波信号，分别发送到脉冲激光器和连续控制器，使脉冲激光器输出波长为λpump的瞬态激发光源以及连续激光器输出波长为λprobe探测光源；
激发光源由反射镜或直接发送到50：50分束器，生成两束等光强相干激发光，再由反射镜和交叉透镜处理，穿过高焓激波风洞激波管末端的石英玻璃窗，以微小夹角θ聚焦于高焓激波风洞激波管内的高温高压待测空气，产生热膨胀或电致伸缩效应，形成波长为Λ的瞬态光栅；
探测光源发送到10：90分束器，产生一束10％光强的调节光和一束90％光强的探测光，经交叉透镜和高焓激波风洞激波管末端的石英玻璃窗，以布拉格衍射角φ入射到激发光诱导的瞬态光栅上，产生一束沿着探测光方向传播的光强周期性变化的散射信号光，由布置在高焓激波风洞激波管另一侧的光电倍增管接收并转换为电信号，再通过示波器记录和显示；
光电倍增管前方布置光阱和滤光片，以提高信噪比，其中光阱用于吸收两束激发光和调节光，滤光片用于过滤背景光。


4.根据权利要求1所述的一种高焓激波风洞总温测量方法，其特征在于：所述光致光栅光谱测量系统参数包括光栅波长Λ、激发光夹角θ、探测光入...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢洪波，陈星，江海南，文帅，林键，谌君谋，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11