[發明專利]基于丙酮示蹤劑的高超聲速PLIF風洞實驗方法

有效

• 申請號: 201711160029.6
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107941454B
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 董昊;劉松;李錚;彭江波;劉是成;夏天宇;張亞曉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 蘇州潤桐嘉業知識產權代理有限公司 32261
• 代理人: 胡思棉

本發明涉及一種基于丙酮示蹤劑的高超聲速PLIF(Plane Laser Induced Fluorescence，平面激光誘導熒光)成像風洞實驗方法，診斷系統包括激光光源系統、片狀光束整形系統、PLIF圖像探測系統和丙酮示蹤劑供給系統，將丙酮作為示蹤粒子，在常規高超風洞的真空環境下進行粒子投放，得到其在高超聲速流場中的熒光信號，應用PLIF測量技術，獲得了高超聲速流場的二維圖像。

技術領域

本發明涉及一種高超聲速風洞實驗方法，是一種對高超聲速外流場進行非接觸測量的流場顯示方法，屬于流場測量技術領域。

背景技術

高超聲速PLIF(Plane Laser InducedFluorescence，平面激光誘導熒光)成像診斷測量技術是一種新型無干擾流場測試技術，可實現濃度場與溫度場的高精度可視化測量。它具有非介入測量，不干擾流場；時間分辨率ns量級，可提供流場瞬態信息；空間分辨率可達μm量級，可獲得高精度流場空間結構信息以及抗干擾能力強等優點。近年來，在流場測量領域，越來越受到關注。該系統可用于獲取跨聲速流場、超聲速流場以及高超聲速流場的二維圖像，為該速域飛行器涉及提供技術支撐，檢驗完善了飛行器仿真設計模型，保證了高超飛行器試飛成功。目前僅美國NASA可以成熟地開展了相關流場的高超聲速PLIF成像診斷。

對于流場測量來說，高超聲速PLIF成像診斷測量技術需要在流場中補充示蹤粒子(劑)。以美國NASA為例，其試驗中所用的示蹤劑為一氧化氮(NO)。NO常溫下為氣體，有毒性，并且常規高超聲速風洞下游為密封的真空容器，因此如采用NO作為示蹤劑將具有一定的危險性。

丙酮(CH₃COCH₃)是一種無色、無毒、有特殊辛辣氣味的氣體。易溶于水、醇和醚。其在常溫下是液態，易揮發，沸點為56℃，分子量為58。將其選用為示蹤劑是高速PLIF成像診斷測量的極佳的選擇。但是根據以往公開的文獻以及計算，在風洞噴管前的穩定段內進行示蹤粒子的投放無法滿足PLIF試驗條件，具體原因是氣流經過穩定段后進入噴管，過喉道后急劇膨脹，靜溫急劇降低，加熱揮發出的丙酮蒸汽易液化，且主流氣流量較大，示蹤劑濃度無法達到要求。

發明內容

為了克服現有PLIF成像診斷測量技術采用NO(g)作為示蹤劑對實驗人員造成的傷害，本發明設計了一種基于丙酮示蹤劑的高超聲速PLIF成像診斷系統。該系統不僅克服了丙酮在高超聲速流場中易液化的缺陷，同時保證了測量試驗的安全性。

為了解決上述技術問題，本發明提供了如下的技術方案：

基于丙酮示蹤劑的高超聲速PLIF成像診斷系統，所述基于丙酮示蹤劑的高超聲速PLIF成像診斷系統包括激光光源系統、片狀光束整形系統、PLIF圖像探測系統和丙酮示蹤劑供給系統。

作為本發明的一種優選技術方案，所述的激光光源系統采用Nd:YAG激光器，其激光重復頻率和單脈沖激光能量可根據拍攝對象，進行調節。

作為本發明的一種優選技術方案，所述的片狀光束整形系統是激光器發出的激光經過爬高光路到達導軌，然后選取激光能量均勻的部分，經過片光整形光路整形成一定寬度和厚度的片光，最后經由大口徑的反射鏡將片光反射入高超聲速風洞實驗裝置中。

作為本發明的一種優選技術方案，所述的PLIF圖像探測系統由成像鏡頭和濾光片組成，根據示蹤劑的熒光光譜特性，選擇帶通濾光片，在示蹤劑輻射熒光光譜范圍內，濾光片透過率大于95％，并有效截止散射光。

作為本發明的一種優選技術方案，所述的丙酮示蹤劑供給系統采用丙酮作為示蹤劑，將丙酮投入到高超聲速氣流主流中去，以進行PLIF流場可視化實驗。

作為本發明的一種優選技術方案，要根據激光能量強度，計算丙酮的體積分數。具體的計算方法如下：