一种新发展起来的用电子束荧光技术直接测量高超声速模型周围流场密度的方法,首次在科学院力学所 JF-4B 高超声速炮风洞中对7°尖锥在 M_∞=7.8时进行了流场密度的测量,给出了模型表面边界层中分离与不分离两种情况下的平均密度和脉动密度剖面分布及电子束荧光的校准结果。验证了这项新的测量技术能成功地用于高超声速飞行器复杂流场中的密度测量

朱进生

林贞彬

郭大华

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 卷 第 期 气 动 实 验 与 测 量 控 制人入二年 月。电子束荧光技术用于测量高超声速飞 行 器 流 场 密 度林贞彬 朱进生 郭大华中国科学院力学研究所摘要 一种新发展起来的用电子束荧光技术直接 测量高超声速模型周围 流场密度的方法 , 首次在科学院力学所 一 高超声速炮风洞中对 “ 尖锥在 。 时进行了流场密度的测量 , 给出了 模型表面边界层中分离与不分离两种情况下的平均 密度和脉动密度剖面分布及电子束荧光的校淮结果 。 验证了这项新的测量技术能成功地用于高超声速飞行器复杂流场中的密度测量 。关键词 电子束 , 测量 , 风洞实验引 食健二勿在先进的高速导弹光学制导系统中 , 当光学系统工作在高超声速气流条件下 , 设计者必须定量地考虑其湍流边界层中的平均和脉动密度剖面 。 因为平均密度剖面将导致接受器图像光点移动 , 脉动密度会引起图像模糊 〔‘ ’。 另外 , 在研究高超声速飞行器的热防护及有突起物湍流边界层的结构时 , 都需要定量测量其边界层 中的平均和脉动密度剖面 。因此 , 深人地探讨研究高超声速边界层结构 , 定量确定其平均和脉动密度显得尤为重要 。在高超声速可压缩气体中 , 边界层中热力学量的湍流脉动值大为增加 , 已不能略去 。在大型的理论计算中需要先确定合适的湍流模型 , 一般总是把低速的湍流模型推广到高超声速领域 , 根据 假设 , 在 数小于 时 , 而且在热流率不大的情况下 , 压缩性不至于影响湍流结构 , 其根本原因在于密度 、 温度的脉动可以忽略不计 仁’, ” 。 但是 ,在 数远大于 时 , 湍流边界层中各种热力学量的脉动模式都大大加强 , 密度脉动可以达到平均密度的 【‘, “ , 。 这意味着湍流边界层的方程中 , 除了雷诺应力以外 , 还应该出现与高 数有关的项 , 从而改变湍流结构 , 在这基础上预言热环境的严重程度也就不同了 。 在高超声速飞行器有突起物时 , 存在边界层与激波的相互作用 , 造成严重的局部热环境 , 又有很大的反压梯度 , 问题会更加复杂 。 这不仅关系到某一个具体的湍流模型能不能推广的问题 , 而且牵涉到低速湍流模型向高超声速推广的概念是否适用的问题 。 本文本文于 年 月 日收到 , 年 月 日收到修改稿 ,© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net介绍的电子束荧光技术用于高超声速复杂流场研究的特点 , 在于能直接地测量以上问题中起关键作用的物理量 —平均和脉动密度的空间场分布。这项技术采用 高性能 , 小型化的电子枪和聚焦系统 , 把电子束直接从模型内部射出穿过边界层 , 从而实现有足够空间分辨率和时间分辨率的测量 。 并于 年首次在科学院力学所 一 炮风洞中 , 成功地对 。 尖锥模型密度场进行了测量 。 为进一步研究高超声速飞行器的复杂流场结构提供了一项新型的测量方法 。电子荧光技术及实验方案在高超声速风洞中测量模型边界层中的密度场是较困难的。 用现有的光学方法 如阴影法 , 纹影法 , 远不能满足高超声速湍流边界层测量 中对时间和空间的分辨率要求 。 尽管电子束荧光技术比较复杂 , 但它有非接触测量 、 响应时间快 、 不干扰流场及可在边界电子束 石墨片 磁透镜线圈 阳极 灯丝厂一 八产图 电子束及模型示意图层中多点测量的优点 。 因此适合于高超声速湍流边界层中平均和脉动密度剖面的测量 。 具体的实验方案是把高压电子枪安装在一个 “ 尖锥实验模型内部 , 电子束由一个高性能的 磁 透镜 聚焦得非常细毫米 , 从模型表面射出 , 直接进人湍流边界层 。 在模型表面使用石墨做成的膜片进行真空密封 , 用以聚焦得很细的电子束在膜片上加工出小孔 , 电子束和小孔 自然对准 , 小孔小 量 漏气 和扩 散 泵抽气之 间达到动态平衡 。 电子束的方向与实验模型轴线为 “ 夹角。 如图 , 电子束在穿过模型湍流边界层气体时 , 会发出不同强度的荧光 , 不同强度的荧光与气体分子密度有关 ,通过光学接收系统及光电倍增管 , 输出不同的电压值 , 从而可直接得到其密度值 。全部测量系统见图 。邪翔之 少七电 电 户丫公认 ’牛艾‘眯罕于仓 ,代 妾 抢和 收一姿发 之一〔 系 习趁 微处理机空 统泵图 电子束侧皿系统方框图测量原理及校准结果电子束荧光技术主要是利用电子束与实验气体的非弹性碰遗 , 将实验气体分子激发到高能级 , 当受激发的气体分子回到低能态时要发射光子 , 即荧光 。 具体地讲 , 本实验© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net气体是纯氮气 。 氮气的芡光一般主要来自 和 一 》两个谱系 , 在感兴趣的密度范围内只有 是重要的 。 其激发的过程可以写成二 ’习 、 , 二 、 , 二夕在沿着电子束方向上 的一个或更多位置上用适 当的光学系统和快速响应的光电检测系统来接收荧光信号变换为电 压信号 。 通过滤 光片收集的是 谱系中波长为入的荧光 。 它对温度变化 不敏感 。 荧光强度与单位时间中从 口秒 能级跃迁到’二 能级的分子数 目成正比 , 整个过程要遵循某种类似化学动力学的规律 , 其中牵涉到双体碰撞 , 所以该跃迁分子数 目与密度关系包含密度平方项 。 因此这个输出的电信号和被测气体密度之间的关系可以写成如下形式犷 月 , 一 。了 一 一云灭石一’ ”其中 , 犷 为输出的 电压信号 为被测气体密度 为电子束电流 , , , , 为常数 为电子束强度沿程的衰减项 。图 电子束校准曲线电子束荧光技术需要通过校准给出两个关系 输出电压和气体密度的关系电子束强度沿程衰减的影响 。 校准在标定装置内和风洞实验段内进行 , 每次拉出电子束时 , 向风洞实验段内或标定装置内充氮气 , 监测其压力参数 , 用 一 。瞬态记录仪 , 采集相应的输出电压信号犷和电子束电流 , 并由 一 微处理机进行数据处理 。 校准曲线见图 。 由一系列实验点可以准确地确定各个标定常数的数值 , 使标定公式与校准曲线在测量精度范围内完全符合 。风洞及实验结果实验是在力学所 一 高超 声速脉 冲型炮风洞中进行 的 。 风洞的驱动段和被驱动段均为 米长 , 内径为 。毫米 , 驱动气体和被驱动气体都是氮气 , 经高超声速喷管被加速的实验气体 , 由 毫米直径的线型喷管出口射人 米直径的实验段 。 在驱动段和被驱动段之间被双膜机构隔开 , 驱动气体的压力可保持比较好的重复性 。 实验气流的参数为, 。‘ , ’实验模型是 。尖锥 , 模型及支杆为无磁不锈钢 。 分前 、 中 、 后三段 , 各段之 间由螺纹联结为一整体 。 实验攻角和偏航角均为零度 。 这次做 了两组不同的实验 。 一组是 ”尖锥 , 另一组是在 。尖锥模型电子束发射处后面加了一个相对模型轴线为 。 圆环 。 用© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net于模拟有突起物的飞行器 。 实验数据采集波形和实验曲线见图 图 。图 是风洞前室总压和密度波形 。一 ’由图可以看出电子束测量系统在风洞实验中的响应时间以及对前室总压的跟随性是很好的 , 在十几毫秒的实验时间内密度的脉动量能真一 ’ ‘ ’长汾止’ ‘一为 些今 一、 密度 力加林枷相州。冬仗、飞 ”图 ‘ 前室总压和密度波形 图 湍流密度平均剖面曲线实地记录下来。 图 给出了边界层中的平均密度剖面 , 由图 可以看出在不分离的情况下 未加环 , 边界层中的平均密 度基本上是随 , 的距 离增加而线性增长的 的坐标系电子束 圆环 模型续万翼环倪 一一一一 土一一一一一山一一毛图 湍流密度脉动剖面曲线 图 边界层密度剖面坐标系示意图见图 。 在边界层的内侧 , 平均密度数值由壁面温度 , 边界层中的静压值所决定 。 而在边界层的外沿 , 平均密度值逐渐趋于锥形激波后的外流场数值 。 边界层中平均密度 面从内向外呈上升的趋势是因为就大范围内的变化而言 除了非常接近壁面的位置以外 ,该边界层的静温内层高外层低呈下降的趋势 。在有分离的情况下 加圆环 , 平均密度剖面曲线从外到里呈先升后降的趋势 , 这是因为圆环前面气体分离流的斜激波与压缩波形成的波系所至 。 以后又下降的原因则是与一般的边界层相类似 。 图 给出了密度脉动剖面曲线 。 从图中可以看出在高超声速流动中 , 湍流密度脉动在湍流边界层中的相当宽的区域内 , 保持在 之 间。 这意味着密度这个热力学量的脉动模已充分激发起来 。 这便是高超声速湍流边界层的重要特点之一 。 在这种情况下 , 有关湍流边界层结构与低马赫数情况相同与否 那时热力学脉动量小得多 。 这是值得进一步深入研究的 。从以上的结果可以看出 , 电子束荧光技术是一种非接触测试方法 , 它不千扰流场 ,并能在电子束方向的若干位置上 , 同时测出多点信号 。 电子束可以聚焦到直径 。 毫米 , 在 目前的实验中 , 达到的时间分辨率为 。一 秒 , 空间分辨率为 。 毫米 。 对于高超声速湍流边界层的研究这是一种很好的实验测试手段 。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net参 考 文 献,乃 , 。 。 王 。 , ,, 。 一 一 , 。, ,,, 幼 。怡‘甘三几 君宕 宕 九 “宜 , ‘ 诬 ‘件一 五,二,,, 也 ,

电子束荧光技术用于测量高超声速飞行器流场密度

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电子束荧光技术用于测量高超声速飞行器流场密度

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