帶噴流的超聲速光學(xué)頭罩流動顯示

朱楊柱 易仕和 田立豐 陳 植

(國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長沙410073)

成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在大氣中作超聲速飛行時，速度越高，其光學(xué)頭罩受到的氣動加熱越嚴重.這不僅給光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)材料的強度與剛度帶來不利影響，還會引起一系列的氣動光學(xué)效應(yīng)，降低目標分辨率，增大導(dǎo)彈的瞄視誤差，因此必須對光學(xué)頭罩的窗口進行冷卻［1］.在窗口上表面射入冷卻噴流，形成氣膜以將外部熱氣流與窗口隔開，是光學(xué)窗口的冷卻方式之一.引入噴流后，超聲速光學(xué)頭罩流場結(jié)構(gòu)勢必變得更為復(fù)雜，流場中同時出現(xiàn)激波、層流邊界層、湍流邊界層、超超混合層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，造成更為嚴重的氣動光學(xué)效應(yīng).為揭示有無噴流的超聲速光學(xué)頭罩流場引起的氣動光學(xué)效應(yīng)機理，獲得其流場精細結(jié)構(gòu)就十分必要.傳統(tǒng)的流動顯示方法如紋影方法［2］，存在時間分辨率和空間分辨率較低的缺點，且具有積分效應(yīng);干涉方法［2］，則成本太高并且易受外界環(huán)境干擾的影響;激光誘導(dǎo)熒光(LIF，Laser Induced Fluorescent)方法［3］是20世紀80年代發(fā)展起來的一種非接觸式流動測試方法，可以用于高速流動和大速度梯度的流場測試，但是存在信噪比較低的問題.這些方法難以滿足精確測量和分析流場精細結(jié)構(gòu)的要求;故而本文選擇具有高時空分辨率的基于納米示蹤的平面激光散射(NPLS，Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技術(shù).

NPLS技術(shù)，是近年來發(fā)展的一種新型流動顯示技術(shù)，可實現(xiàn)空間尺度微米到米量級、時間尺度納秒量級、時間相關(guān)尺度微秒到秒量級的流動顯示與測量.NPLS技術(shù)發(fā)展至今，已成功應(yīng)用于超聲速混合層［4］、超聲速繞流［5］、超聲速射流等多種超聲速流場的流動顯示實驗研究，能夠清晰地再現(xiàn)超聲速流場中激波、膨脹波、混合層、馬赫盤、滑移線和尾跡等流場精細結(jié)構(gòu)［6-7］.

1 實驗裝置及實驗條件

1.1 超聲速風(fēng)洞及實驗?zāi)Ｐ?/h3>

本實驗在KD-03超聲速風(fēng)洞中進行，其示意圖如圖1所示.該風(fēng)洞是一座吸氣式直連風(fēng)洞，風(fēng)洞下游與真空罐相連，氣源為經(jīng)過干燥除塵的大氣，實驗段馬赫數(shù)為3.8，截面尺寸為100 mm×120 mm，四周鑲嵌光學(xué)玻璃，便于觀測.

圖1 KD-03超聲速風(fēng)洞

圖2所示為本實驗所用的模型示意圖.模型是一個半球錐體，在頭部按照噴管型面設(shè)計方法設(shè)計一個小噴管，能夠緊貼窗口上表面噴入均勻超聲速氣流，噴流流動方向與窗口上表面平行，噴管出口高度為3mm.噴流氣源為風(fēng)洞穩(wěn)定段氣體，通過設(shè)計的總壓調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)噴流出口靜壓，噴流總壓最高為0.1 MPa.

圖2 模型示意圖

1.2 NPLS系統(tǒng)簡介

圖3為NPLS系統(tǒng)的示意圖.該系統(tǒng)包括計算機、CCD相機、納米粒子發(fā)生器、同步控制器和Nd:YAG雙腔脈沖激光器.系統(tǒng)選用的示蹤粒子為跟隨性良好的納米級粒徑粒子.激光器脈沖時間為6ns，脈沖能量為350mJ，波長為532 nm［8］，激光經(jīng)透鏡組形成片光，片光厚度最小可達0.5 mm［9］.實驗采用行間傳輸?shù)碾p曝光 CCD，雙曝光時間間隔最小為0.2 μs，分辨率為2 048像素×2048像素，灰度級達4096.CCD和片光光源由同步控制器控制，兩次脈沖片光照射下的流場中粒子的光散射信號分別記錄在CCD的兩次曝光時間內(nèi)，得到時間相關(guān)的兩幅 NPLS圖像［5，10］.

圖3 NPLS系統(tǒng)示意圖

2 流動顯示實驗研究

本文對帶噴流的超聲速光學(xué)頭罩對稱面內(nèi)流場進行了流動顯示實驗研究，為便于比較分析，設(shè)計了3種實驗狀態(tài)，即無噴流、噴流出口壓力大于外流壓力、噴流出口壓力與外流壓力匹配.3種實驗狀態(tài)分別完成于不同的實驗車次，各狀態(tài)下來流參數(shù)一致，馬赫數(shù) Ma∞=3.8，總壓 P0=0.1 MPa，總溫T0=300 K，噴流馬赫數(shù)Maj=2.5.實驗中激光片光與模型對稱面重合，CCD記錄模型對稱面上的納米粒子瑞利散射信號，獲得的流場NPLS圖像分辨率為94 μm/像素.

2.1 無噴流狀態(tài)流動顯示

無噴流狀態(tài)的流場NPLS圖像如圖4所示，兩幅圖時間間隔為5 μs.觀察發(fā)現(xiàn)，由于噴管出口的后臺階［11］影響，在無噴流的情況下，頭部弓形激波后的繞流在臺階處膨脹，產(chǎn)生一系列膨脹波，流動經(jīng)過臺階后在光學(xué)窗口上再附，從而產(chǎn)生一道再附激波.圖中還可以清晰地看到邊界層由層流轉(zhuǎn)捩為湍流的情景.此種狀態(tài)光學(xué)窗口上方層流區(qū)域較長，對氣動光學(xué)性能影響不大［12］.

2.2 噴流出口壓力大于外流壓力狀態(tài)流動顯示

圖4 無噴流時的NPLS圖像

調(diào)節(jié)噴流總壓，使噴流出口壓力達到最大值，觀察流場NPLS圖像，發(fā)現(xiàn)在噴流出口處產(chǎn)生一道激波，故可肯定此時噴流出口壓力大于外部繞流壓力.將噴流總壓調(diào)節(jié)到最大即0.1 MPa，此時噴流出口壓力Pj=5853 Pa，大于弓形激波后繞流壓力2926 Pa.此種狀態(tài)下，實驗獲得的流場NPLS圖像如圖5所示，兩幅圖時間間隔為5 μs.外部繞流噴流出口上方產(chǎn)生一道激波，噴流形成氣膜將外部氣流與窗口隔開，起到對窗口的冷卻作用.噴流與外部流場之間產(chǎn)生混合層，可以清楚地看到渦結(jié)構(gòu)，由渦卷起的方向初步判斷噴流速度小于外部繞流速度［13］.激波2之后，模型外部繞流壓力增加，而噴流則由于混合層及窗口壁面邊界層的作用，其能量逐漸耗散衰減，壓力降低，故而又出現(xiàn)一系列膨脹波，之后有道大渦誘導(dǎo)的激波，最后在流場下游完全發(fā)展成湍流邊界層.總的來說，噴流能夠覆蓋住光學(xué)窗口，起到冷卻保護窗口的作用［14］，但窗口上方層流區(qū)域較無噴流情況很短，流場結(jié)構(gòu)在此狀態(tài)下變得更為復(fù)雜，氣動光學(xué)性能將更加惡化.

2.3 噴流出口與外流壓力匹配狀態(tài)流動顯示

降低噴流總壓至0.05 MPa，此時噴流出口壓力Pj=2 926 Pa，與模型弓形激波后繞流壓力匹配.在該情況下獲得的流場NPLS圖像如圖6所示，兩幅圖時間間隔為5 μs.可以發(fā)現(xiàn)，噴流相對圖5所示較薄，同樣形成氣膜覆蓋住光學(xué)窗口，亦起到冷卻窗口的作用;但這種狀態(tài)下的完全噴流長度明顯小于圖5中所示，混合層較短，噴流受到窗口表面和外部繞流影響，迅速衰減并發(fā)展成為湍流邊界層;另外，壓力匹配狀態(tài)下噴流與外流混合層的轉(zhuǎn)捩過程相對圖5更為明顯，能夠精確捕捉到不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)并觀察到其時間演化特性，相對于噴流出口壓力大于外流狀態(tài)較有利于進行氣動光學(xué)校正.

圖5 噴流出口壓力大于外流壓力時的NPLS圖像

以上3種狀態(tài)下的流場NPLS圖像圖4～圖6中兩幅圖像的時間間隔均為5 μs，對應(yīng)的空間位置相同.上圖中橢圓框是某時刻某渦的位置，下圖中對應(yīng)的橢圓框是5 μs后該渦的位置.從3種狀態(tài)的流場NPLS圖像中均可以看出，5 μs時間內(nèi)渦向下游水平位移了3mm距離，但渦的自身形狀并沒有很大變化.

圖6 噴流出口與外流壓力匹配時的NPLS圖像

3 結(jié)論

本文利用NPLS技術(shù)對帶冷卻噴流的超聲速光學(xué)頭罩對稱面內(nèi)流場進行了流動顯示實驗研究.對比研究發(fā)現(xiàn):無噴流情況下光學(xué)窗口上方的大部分流場處于層流狀態(tài)，對氣動光學(xué)性能的影響較小，但窗口不能冷卻;有噴流時，初步判斷噴流可形成較薄的一層氣膜覆蓋住光學(xué)窗口，將外部高溫氣流與光學(xué)窗口隔開，從而起到對窗口冷卻的作用，但此時剪切層的層流區(qū)域較短，逐漸轉(zhuǎn)捩至湍流狀態(tài)，對氣動光學(xué)性能的影響較大;噴流出口壓力高于外界壓力情況下的剪切層轉(zhuǎn)捩位置比壓力匹配情況下較為靠前，光學(xué)窗口上方的渦結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，比較而言，后者對氣動光學(xué)性能的影響更大.高分辨率的流場NPLS圖像清晰再現(xiàn)了各種狀態(tài)下的流場波系結(jié)構(gòu)、剪切層、邊界層、混合層、尾流等精細結(jié)構(gòu)，為進一步的帶噴流氣動光學(xué)研究積累了豐富經(jīng)驗;對時間相關(guān)的流場NPLS圖像分析，可以精確測定邊界層及混合層內(nèi)各種擬序結(jié)構(gòu)的幾何特性和時間演化特性.

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