一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法技术

本发明专利技术涉及一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，包括(1)根据试验需求确定流场的主要介质和PIV系统采用的激光波长；(2)根据流场气体介质折射率和选用的光学窗口折射率，确定增透膜层材质及折射率；(3)根据试验需求，确定光学窗口与金属模型的安装形式；(4)根据试验需求和测试效果，选定激光入射的方向。本发明专利技术可以削弱在高速风洞流场速度场测量时壁面反射的示踪粒子照明激光强度，提升粒子图像信噪比。子图像信噪比。子图像信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法


[0001]本专利技术涉及一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，可以削弱在高速风洞流场速度场测量时壁面反射的示踪粒子照明激光强度，提升粒子图像信噪比，属于航空航天实验


技术介绍

[0002]粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)技术是一种无干扰的测量流体中瞬时速度场的测量技术，利用高能量的脉冲激光照射实验区域内的示踪粒子，同时使用相机记录粒子的散射运动图像，通过相应的迭代重构算法反演计算处流场速度分布。
[0003]PIV技术目前是高速流动速度场测量的普遍方法，但由于PIV技术需要使用高能量脉冲激光照明粒子场，而试验中常用的模型壁均为固壁，高能激光照射到模型壁面反射形成强烈反光，由于壁面的复杂性，对所反射的激光并不呈现均匀的线性光学反射效果，而是存在较强的散射，被相机感光芯片捕捉到后，会掩盖粒子运动信息，无法精确计算近壁面速度场。
[0004]传统方法较多使用哑光漆削弱壁面反射，但收到的削弱效果有限，或者通过在壁面涂抹荧光材料，使得入射激光波长发生斯托克斯位移，再通过滤波片滤除这部分波长的光，但激光脉冲能量增强后，荧光材料很快被激光能量毁伤，失去作用。
[0005]因此如何找到一种既能大幅削弱近壁面反射光强度，又能保持长期的效果，是目前研究的热点和难点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，解决目前近壁反射光强烈，严重影响粒子图像信噪比的问题。
[0007]本专利技术的技术解决方案是：
[0008]一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，包括：
[0009](1)根据试验需求确定流场的主要介质和PIV系统采用的激光波长；
[0010](2)根据流场气体介质折射率和选用的光学窗口折射率，确定增透膜层材质及折射率；
[0011](3)根据试验需求，确定光学窗口与金属模型的安装形式；
[0012](4)根据试验需求和测试效果，选定激光入射的方向。
[0013]进一步的，流场的主要介质为空气，PIV系统采用的是Nd:YAG激光器，输出波长为532nm，故采用的激光波长为λ＝532nm。
[0014]进一步的，采用光学玻璃作为光学窗口，并在在光学玻璃表面镀增透膜。
[0015]进一步的，增透膜的厚度d通过如下方式计算得到：
[0016][0017]其中，d为膜层厚度、n为膜层折射率，λ为激光波长。
[0018]进一步的，膜层折射率n通过如下方式计算：
[0019]n＝(n0·
n1)
0.5
[0020]其中，n0为空气折射率，n1为光学玻璃折射率。
[0021]进一步的，总体反射率R按下式计算：
[0022][0023]进一步的，对空气的实际折射率进行修正，空气实际折射率按下式进行估算：
[0024][0025]K
GD
为空气的比折射度，ρ是空气密度。
[0026]进一步的，所述确定光学窗口与金属模型的安装形式，具体为：
[0027]将光学窗口边缘设计成双侧斜边形式，通过与金属模型预置的斜面配合达到接口处的平滑过渡，其中，双斜边夹角a满足a>90
°
的要求，且双斜边尖角处设计圆滑倒角，倒角半径0.1d
b
≤R
b
≤0.2d
b
，其中，d
b
为光学窗口厚度。
[0028]进一步的，对机加工后的光学窗口和金属模型的加工误差进行检验，实际检验偏差不超过0.08mm则认为观测不到明显台阶；如果光学窗口突出，则修正光学窗口，如果光学窗口凹陷则修正金属模型。
[0029]进一步的，激光从光学窗口一侧入射或从另一侧入射。
[0030]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0031](1)本专利技术可以削弱在高速风洞流场速度场测量时壁面反射的示踪粒子照明激光强度，提升粒子图像信噪比，又能保持长期的效果。
[0032](2)本专利技术增透膜其折射率应为1.21～1.24，需要选用特殊工艺将二氧化硅膜层折射率降低到1.3以下，满足增透要求。
[0033](3)本专利技术通过将光学窗口边缘设计成双侧斜边形式，通过与金属模型预置的斜面配合达到接口处的平滑过渡的效果。
附图说明
[0034]图1为近壁反光抑制镀膜光学窗口示意图；
[0035]图2为近壁反光抑制光学窗口与金属模型衔接示意图；
[0036]其中，1为流场气体界面，2为光学窗口镀膜界面，3为光学窗口界面，4为金属模型部分，5为光学窗口压块，6为光学窗口。
具体实施方式
[0037]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。
[0038]下面将以FD
‑
03风洞PIV速度场测量为例，结合附图对本专利技术作进一步的说明。
[0039]本专利技术涉及的一种高速风洞粒子图像近壁反光抑制方法实施步骤如下：
[0040]步骤1：根据试验需求确定流场的主要介质和PIV采用的激光波长。
[0041]由于FD
‑
03风洞中主要流场介质为空气，而且PIV系统采用的是Nd:YAG激光器，输出波长为532nm，因此，采用的激光波长为λ＝532nm。
[0042]步骤2：根据流场气体介质折射率和选用的光学窗口折射率，确定增透膜层材质及折射率。
[0043]降低壁面反射光的主要方案为采用光学玻璃作为光学窗口，并在在玻璃表面镀增透膜，针对532nm激光降低反射率，理论上相对于全反射壁面可以降低90％～95的反射率。
[0044]其中，如图1，其中1为流场气体界面，2为光学窗口镀膜界面，3为光学窗口界面。d为设计的膜层厚度，R1为第一层反射率，R2为第二层反射率，n0为空气折射率，n1为玻璃折射率，n为膜层折射率，膜层厚度d、折射率n和总体反射率R按下式计算。
[0045][0046]n＝(n0·
n1)
0.5
[0047][0048]由于流场属于高速流场，空气密度相对常压大气会降低，空气的实际折射率需要进行修正，空气实际折射率按下式进行估算：
[0049][0050]K
GD
空气的比折射度，通过查表可得，ρ是空气密度，根据试验状态换算得到。
[0051]一般情况下空气的折射率为1左右，石英玻璃基底的折射率为1.47～1.57，理论上理想的增透膜其折射率应为1.21～1.24，需要选用特殊工艺将二氧化硅膜层折射率降低到1.3以下，满足增透要求。
[0052]步骤3：根据试验需求，确定光学窗口与金属模型的安装形式。
[0053]由于高速风洞中气流来流速度高，尤其是超声速试验时，较小的顺流向台阶都本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于包括：(1)根据试验需求确定流场的主要介质和PIV系统采用的激光波长；(2)根据流场气体介质折射率和选用的光学窗口折射率，确定增透膜层材质及折射率；(3)根据试验需求，确定光学窗口与金属模型的安装形式；(4)根据试验需求和测试效果，选定激光入射的方向。2.根据权利要求1所述的一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于：流场的主要介质为空气，PIV系统采用的是Nd:YAG激光器，输出波长为532nm，故采用的激光波长为λ＝532nm。3.根据权利要求1所述的一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于：采用光学玻璃作为光学窗口，并在在光学玻璃表面镀增透膜。4.根据权利要求3所述的一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于：增透膜的厚度d通过如下方式计算得到：其中，d为膜层厚度、n为膜层折射率，λ为激光波长。5.根据权利要求4所述的一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于：膜层折射率n通过如下方式计算：n＝(n0·
n1)
0.5
其中，n0为空气折射率，n1为光学玻璃折射率。6.根据权利要求5所述的一种高速风洞平面模型粒子图像近壁反光抑制方法，其特征在于：总体反射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄湛，王宏伟，李晓辉，任少洁，康国剑，
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：