基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量与数据处理方法技术

本发明专利技术属于高超声速稀薄流风洞试验技术领域，公开了一种基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量与数据处理方法。该测量方法包括室温静态真空环境、高超声速稀薄空流场和激波后流场三种转动温度测量方法。该测量方法的数据处理方法包括绘制电子束荧光转动谱线；标记电子束荧光转动谱线的激发态转动量子数J

【技术实现步骤摘要】
基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量与数据处理方法


[0001]本专利技术属于高超声速稀薄流风洞试验
，具体涉及一种基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量与数据处理方法。

技术介绍

[0002]在高超声速稀薄流风洞流场中，由于空气中的氮气为双原子分子，在稀薄流动中会出现热力学非平衡效应，氮气气体分子的振动温度和转动温度不一致，需要测量氮气气体分子的振动温度和转动温度，用于热力学非平衡效应研究。目前，采用电子束荧光技术测量流场中气体的振动温度和转动温度，其中振动温度测量通过强度比方法和标定实现，转动温度测量通过测量氮气分子的电子束荧光转动光谱各枝强度拟合斜率计算获得。但是，由于氮气分子有两个转动自由度，在室温静态真空环境、高超声速稀薄空流场和激波后流场等不同的流场情况下，氮气分子的两个转动自由度会可能出现不一致，从平衡态到非平衡态，即整体转动自由度不服从玻尔兹曼平衡态分布，会导致转动谱线出现较为明显的两个斜率，难以给出一个合理的转动温度，仅采用同一个拟合斜率进行计算难以满足不同的流场情况下转动谱线的处理要求。
[0003]当前，亟需发展一种基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量与数据处理方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法的数据处理方法。
[0005]本专利技术的电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法使用的测量装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段上驻室的电子枪，安装在高超声速低密度风洞的试验段下驻室的法拉第杯，法拉第杯用于接收电子枪发射的电子束，产生的电子束荧光位于喷管和扩压器之间并垂直于喷管的轴线从上至下穿过试验段的中心空腔；
[0006]通过导线连接的光谱仪和CCD相机布置在试验段的观察窗外，光谱仪与观察窗之间还布置有凸透镜；
[0007]CCD相机与计算机之间通过网线连接；
[0008]观察窗采用光学玻璃；光谱仪的波长分辨率大于等于0.02nm，测量波长范围为388nm～391nm；
[0009]其特点是，所述的测量方法包括室温静态真空环境的转动温度测量方法、高超声速稀薄空流场的转动温度测量方法和激波后流场的转动温度测量方法，分别如下：
[0010]a.室温静态真空环境的转动温度测量方法；
[0011]先将高超声速低密度风洞的试验段抽真空至20Pa以下，开启电子枪发射电子束，在试验段的测量区域产生的电子束荧光通过观察窗的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机记录电子束荧
光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机存储；
[0012]b.高超声速稀薄空流场的转动温度测量方法；
[0013]先将高超声速低密度风洞的试验段抽真空至20Pa以下，开启高超声速低密度风洞吹风，开启电子枪发射电子束，在试验段的测量区域产生的电子束荧光通过观察窗的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机记录电子束荧光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机存储；
[0014]c.激波后流场的转动温度测量方法；
[0015]先将试验模型安装在高超声速低密度风洞的试验段内，试验段抽真空至20Pa以下，开启高超声速低密度风洞吹风，开启电子枪发射电子束，调整电子束位置到试验模型的头部激波后方，在试验段的测量区域产生的电子束荧光通过观察窗的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪的狭缝入口，电子束荧光在光谱仪内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机记录电子束荧光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机存储。
[0016]本专利技术的基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法的数据处理方法，包括以下步骤：
[0017]S10.绘制电子束荧光转动谱线；
[0018]将计算机内存储的电子束荧光转动数据绘制成横坐标为波长、纵坐标为转动强度的电子束荧光转动谱线；
[0019]S20.标记电子束荧光转动谱线的激发态转动量子数J
′
；
[0020]激发态转动量子数J
′
跃迁至基态时转动量子数J
″
，取J
′‑
J
″
＝1的转动谱线的波长，为从波长391nm至波长388nm；利用计算机的数据处理程序，顺序标记电子束荧光转动谱线的波峰序号1～N为转动量子数J
′
，即J
′
＝1∶N；
[0021]S30.获得转动量子数J
′
对应的强度值I
J
′
和波长λ
J
′
；
[0022]利用计算机的数据处理程序，读出激发态转动量子数J
′
对应的强度值I
J
′
和波长λ
J
′
；其中转动量子数J
′
为偶数的，强度值I
J
′
取原读数的2倍；
[0023]S40.计算转动项G(J
′
，T
r
)；
[0024]假设转动温度T
r
＝200K，令特征温度θ＝2.878，计算转动项G(J
′
，T
r
)；
[0025][0026]S50.获取数据点集{y(J
′
)}，{x(J
′
)}；
[0027]由于：
[0028][0029]其中，J
″
为基态时转动量子数；λ
J
′
J
″
为从激发态转动量子数J
′
跃迁至基态时转动量子数J
″
的激发光波长；I
J
′
J
″
为波长λ
J
′
J
″
的激发光强度；c为常数。
[0030]令：
[0031][0032][0033]得到数据点集{y(J
′
)}，{x(J
′
)}；
[0034]S60.拟合数据点集{y(J
′
)}，{x(J
′
)}的一次函数；
[0035]利用步骤S50获得的数据点集{y(J
′
)}，{x(J
′
)}，采用最小二乘法拟合一次函数：
[0036]y(J
′
)＝a
×
x(J
′
)+c
[0037]则：
[0038][0039]S70.通过一次函数，获得转动温度T
r
；
[0040]取重复步骤S40～步骤S60，迭代计算转动温度T
r
，直至前后两次转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法，所述的测量方法使用的测量装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段(2)上驻室的电子枪(3)，安装在高超声速低密度风洞的试验段(2)下驻室的法拉第杯(11)，法拉第杯(11)用于接收电子枪(3)发射的电子束，产生的电子束荧光(4)位于喷管(9)和扩压器(1)之间并垂直于喷管(9)的轴线从上至下穿过试验段(2)的中心空腔；通过导线连接的光谱仪(6)和CCD相机(7)布置在试验段(2)的观察窗(5)外，光谱仪(6)与观察窗(5)之间还布置有凸透镜；CCD相机(7)与计算机(10)之间通过网线(8)连接；观察窗(5)采用光学玻璃；光谱仪(6)的波长分辨率大于等于0.02nm，测量波长范围为388nm～391nm；其特征在于，所述的测量方法包括室温静态真空环境的转动温度测量方法、高超声速稀薄空流场的转动温度测量方法和激波后流场的转动温度测量方法，分别如下：a.室温静态真空环境的转动温度测量方法；先将高超声速低密度风洞的试验段(2)抽真空至20Pa以下，开启电子枪(3)发射电子束，在试验段(2)的测量区域产生的电子束荧光(4)通过观察窗(5)的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪(6)的狭缝入口，电子束荧光(4)在光谱仪(6)内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机(7)记录电子束荧光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机(10)存储；b.高超声速稀薄空流场的转动温度测量方法；先将高超声速低密度风洞的试验段(2)抽真空至20Pa以下，开启高超声速低密度风洞吹风，开启电子枪(3)发射电子束，在试验段(2)的测量区域产生的电子束荧光(4)通过观察窗(5)的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪(6)的狭缝入口，电子束荧光(4)在光谱仪(6)内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机(7)记录电子束荧光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机(10)存储；c.激波后流场的转动温度测量方法；先将试验模型安装在高超声速低密度风洞的试验段(2)内，试验段(2)抽真空至20Pa以下，开启高超声速低密度风洞吹风，开启电子枪(3)发射电子束，调整电子束位置到试验模型的头部激波后方，在试验段(2)的测量区域产生的电子束荧光(4)通过观察窗(5)的光学玻璃被凸透镜收集至光谱仪(6)的狭缝入口，电子束荧光(4)在光谱仪(6)内产生的电子束荧光转动谱线，通过CCD相机(7)记录电子束荧光转动谱线的波长和强度数据并传输至计算机(10)存储。2.基于权利要求1所述的基于电子束荧光的稀薄流场转动温度测量方法的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S10.绘制电子束荧光转动谱线；将计算机(10)内存储的电子束荧光转动数据绘制成横坐标为波长、纵坐标为转动强度的电子束荧光转动谱线；S20.标记电子束荧光转动谱线的激发态转动量子数J
′
；激发态转动量子数J
′
跃迁至基态时转动量子数J
″
，取J
′‑
J
″
＝1的转动谱线的波长，为从波长391nm至波长388nm；利用计算机(10)的数据处理程序，顺序标记电子束荧光转动谱线的波峰序号1～N为转动量子数J
′
，即J
′
＝1∶N；
S30.获得转动量子数J
′
对应的强度值I
J
′
和波长λ
J
′
；利用计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈爱国，田颖，方明，李中华，李震乾，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：