本发明专利技术提供了一种超声速流场密度场的校准方法，这种方法是基于NPLS技术，采用斜激波和膨胀波综合校准方法对超声速流场密度-NPLS图像灰度曲线进行校准。第一，将示踪粒子均匀散播到超声速来流中，CCD根据计算机的指令拍摄粒子图像；第二，在超声速风洞中的可连续调节攻角α的斜劈，通过改变斜劈攻角α，得到一组（ρi，Ii）(i＝1,2,L,n-1)数据；第三，在超声速风洞中的放置膨胀波发生器，通过放置不同偏转角度的膨胀波发生器，得到另一组(ρi,Ii)(i＝n,n+1,L，N)数据；第四，将上述两组数据进行多项式拟合，得到流场密度-NPLS图像灰度的关系曲线：ρ＝a0+a1I+a2I2+a3I3+K。本发明专利技术旨在解决空间分辨率和信噪比较低、对低密度区的测量存在较大误差的技术问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超声速密度场的校准方法，特别地，涉及一种基于NPLS技术、利用斜激波和膨胀波校准超声速流场密度-NPLS图像灰度曲线的方法。此外，本专利技术还涉及一种包括利用上述校准方法来测量超声速流场中密度的方法。
技术介绍
超声速密度场测量是实验空气动力学的一个重要内容，目前的测量方法主要有滤波瑞利散射(Filtered Rayleigh Scattering, FRS)、平面激光诱导突光(Planar LaserInduced fluorescence, PLIF)、背景导向纹影(Background Oriented Schlieren, BOS)以及基于纳米粒子平面激光散射(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering, NPLS)的 超声速密度场测量方法 NPLS-DT (NPLS-based Density Technique)等。FRS是基于激光的分子散射技术，以流场的气体分子作为散射中心。瑞利散射是最简单的分子散射，其频谱与流场的速度分布密切相关，进行频谱分析可以得到流场的温度、密度和速度信息。PLIF可对组分浓度、温度、压力、密度等多个流场参数进行非接触式的瞬态平面测量，在流动及燃烧的显示与诊断中发挥了重要的作用，已广泛应用于多种流场的流动显示或定量测量。值得注意的是，在激光能量很高的情况下，PLIF的某些燃料会有光褪色效应，严重影响浓度测量。PLIF选用有机染料时，染料对激光的高吸收性导致荧光信号很强；如果激光路径上流场中的染料覆盖较大的范围，激光光强会逐渐减弱，荧光信号也逐渐减弱。降低染料浓度或缩小染料的覆盖范围能够降低这种影响，但考虑到信噪比和其它一些限制，上述两种方法往往是行不通的，需要通过Beer-Lambert吸收定律来校准。PLIF方法用于测量超声速流场时，由于流场密度较低，PLIF信号较弱，需要增强型CCD进行信号采集，且PLIF信号受多个流动参量的影响，校准比较困难。BOS是Meier G E A在1998年提出的一种定量测量流场密度分布的方法，通过测量有无流场干扰时背景图像的相对位移来分析流场的密度分布。BOS技术能够定量地测量二维或轴对称密度场，原理和设备相对简单，采用PIV算法进行图像处理。BOS测量的是光学传播路径上密度信息的积分效果，测量三维复杂流场的能力十分有限。2004年，Venkatakrishnan L和Meier G E A对BOS方法的原理进行了详细阐述,并采用该方法测量了锥柱模型在Ma=2. 0流场中的密度分布。2005年，Sourgen F等人分析了 BOS的精度、空间分辨率以及应用局限性，并通过实例对其性能进行了综合评估。2007年，Ramanah D等人验证了 BOS方法在激波风洞中的可行性，实验结果表明BOS方法可用于激波风洞中超声速流场的流动显示研究，提高光源的亮度可降低气体发光对测量的影响。NPLS-DT技术在测量超声速密度场的过程中采用了斜激波校准方法。该方法由于校准的采样点范围窄，并且只对高密度区(指密度高于来流)进行校准，而对低密度区的校准则是通过插值得到。所以在测量密度低(低于来流密度)的流场时存在较大的误差。综上，FRS可以通过频谱分析进行超声速密度场测量，但空间分辨率和信噪比较低；用于超声速流场测量时，PLIF技术的空间分辨率和信噪比较低，且荧光信号受多个流场参数的影响，校准较为困难；BOS技术空间分辨率较低，在光路上存在积分效应，测量超声速复杂三维流场的能力有限；现有的NPLS-DT校准方法仅采用斜激波对高密度区进行校准，对低密度区的测量则存在较大误差
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种超声速流场中密度-NPLS图像灰度曲线的校准方法，以解决常规测量方法空间分辨率和信噪比较低、现有NPLS-DT对低密度区的测量存在较大误差的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种超声速流场密度的校准方法，基于NPLS技术，用于校正超声速风洞内的超声度流场的密度-NPLS图像灰度的曲线，包括以下步骤第一，将示踪粒子均匀散播到超声速流场的来流中，调整CCD到正常工作范围内，设置同步控制系统的控制时间；第二，在超声速风洞中放置一个可连续调节攻角a的斜劈，通过改变攻角a，CCD拍摄流场NPLS图像，测量出对应的激波角度P，得到一组斜激波波后流场密度和NPLS图像灰度之间的(Pi, Ii) (i = 1,2,1, n-1)数据；第三，在超声速风洞中放置膨胀波发生器，通过放置不同偏转角度的膨胀波发生器，CXD拍摄相应的流场NPLS图像，得到一组膨胀波波后的平均流场密度和NPLS图像灰度之间的(Pi, Ii) (i = n, n+1, L，N)数据；第四，利用NPLS分析系统将第二、三步中得到的两组数据进行多项式拟合，得到流场密度-NPLS图像灰度的关系曲线P = %+&11+&212+&313+1(。进一步地,NPLS系统括一种连续地向所述超声速风洞投放纳米示踪粒子的纳米粒子发生器、发射照亮所述超声速流场的激光器、对所述超声速风洞内的流场拍照的CCD相机、存储并处理所述CCD相机拍摄的图像的分析系统及同步控制系统。具体地首先，将示踪粒子均匀散播到超声速来流中，在CCD的正常工作范围内，CCD根据计算机的指令拍摄粒子图像，并消除背景噪声、激光片光强度分布不均匀等因素的影响；然后，在超声速风洞中放置一个可连续调节攻角a的斜劈，超声速风洞中流场在所述斜劈上方会产生一道斜激波，分析系统向同步控制系统发出指令，以使同步控制系统控制CCD相机和激光器同步工作；激光器发射激光束，照亮超声速流场区域，流场中的纳米示踪粒子发出散射光，CCD相机拍摄示踪粒子散射光信号，得到流场NPLS图像；斜激波NPLS图像传输至分析系统，分析系统分析记录该斜激波波后图像灰度和对应的激波角度P，再利用斜激波关系式和已知的波前来流密度计算出该斜激波波后流场密度；通过改变斜劈攻角a，得到不同斜激波的波后图像灰度和流场密度，重复多次，得到一组斜激波波后流场密度和NPLS图像灰度之间的(Pi, Ii) (i = l，2，L，n-l)数据；再次，在超声速风洞中放置不同的膨胀波发生器；超声速风洞中流场在膨胀波发生器的斜坡面会产生密度连续降低的膨胀波区域，分析系统向同步控制系统发出指令，以使同步控制系统控制CCD相机和激光器同步工作；激光器发射激光束，照亮超声速流场区域，流场中的纳米示踪粒子发出散射光，CCD相机拍摄示踪粒子散射光信号，得到流场NPLS图像；膨胀波流场NPLS图像传输至分析系统，分析系统分析记录该膨胀波图像灰度；再利用膨胀波关系式计算出该膨胀波后某一区域的流场密度；通过放置不同偏转角度的膨胀波发生器，得到不同膨胀波后流场某一区域的图像平均灰度和流场平均密度，重复多次，得到膨胀波后流场的平均密度和对应的NPLS图像灰度之间的(Pi, Ii)(i =n，n+l，L，N)数据；最后，将第二、三步中得到的两组数据进行多项式拟合，得到流场密度-NPLS图像灰度的关系曲线P = ac+aJ+af+aZ+K。进一步地，第二步中改变斜劈攻角a，拍摄流场的NPLS图像时，应当保持超声速来流粒子数浓度不变，保持CCD和片本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声速流场密度场的校准方法,基于NPLS技术,用于校正超声速流场的密度-NPLS图像灰度的曲线，其特征在于，包括以下步骤 第一，将示踪粒子均匀散播到超声速流场的来流中，调整CCD到正常工作范围内，设置同步控制系统的控制时间； 第二，在超声速风洞中放置一个可连续调节攻角a的斜劈，通过改变攻角a，C⑶拍摄流场NPLS图像，测量出对应的激波角度3，得到一组斜激波波后流场密度和NPLS图像灰度之间的(P i，Ii) (i=l, 2，L, n-1)数据； 第三，在超声速风洞中放置膨胀波发生器，通过放置不同偏转角度的膨胀波发生器，CXD拍摄相应的流场NPLS图像，得到一组膨胀波波后的平均流场密度和NPLS图像灰度之间的(Pi, Ii) (i = n, n+1, L, N)数据； 第四，利用NPLS分析系统将第二、三步中得到的两组数据进行多项式拟合，得到流场密度-NPLS图像灰度的关系曲线P = ao+ail+aglz+ay+K。2.根据权利要求I所述的超声速流场密度场的校准方法，其特征在于，所述第二步中通过改变斜劈攻角a，取得相应NPLS图像...
【专利技术属性】
技术研发人员：易仕和，田立丰，赵玉新，何霖，陈植，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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