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超声速光学头罩流场精细结构及其气动光学效应的机理研究

田立丰  
【摘要】:超声速光学头罩周围的变折射率流场引起的气动光学效应,是影响其制导精度的关键因素。研究气动光学效应的机理,不仅有助于认识气动光学效应和流场结构的关系,而且为有效地进行气动光学控制、提高气动光学性能提供重要的理论依据。 超声速光学头罩流场气动光学效应机理的实验研究,目前面临几大难题:(1)如何实现适用于气动光学机理研究的超声速流场,以避免来流噪声对气动光学测试的影响;(2)超声速光学头罩流场中存在激波和湍流边界层等复杂结构,如何实现流场结构的高时空分辨率测试;(3)如何从流场精细结构的实验数据中提取出高时空分辨率的密度场;(4)已知流场密度分布的情况下,如何计算相应的气动光学畸变,以及如何构建气动光学畸变和流场结构之间的关系;(5)如何提高DPIV (Digital Particle Image Velocimetry)示踪粒子在超声速光学头罩流场中的跟随性,以及如何改进速度场算法,以提高速度场的测量精度。为克服如上难题,本文创造性地自主开发了多项高性能的新方法、新技术,获得了超声速光学头罩流场精细结构及其气动光学效应的相互作用规律。 针对超声速光学头罩气动光学机理研究对流场品质的要求,本文设计了一座能够提供低噪声、低湍流度来流的超声速风洞,而且该风洞的结构便于光学非接触测试实验的开展。超声速光学头罩流场中激波和湍流边界层等复杂流场结构的存在,要求流场测试技术不仅要有很高的时空分辨率,也要有较强的超声速三维复杂流场测试能力。基于纳米粒子的平面激光散射技术(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering, NPLS),是一种新的超声速流场精细结构测试技术,能够对超声速复杂三维流场的某一截面进行时间相关的高时空分辨率瞬态流动显示。本文采用NPLS技术获得了超声速光学头罩流场的精细结构,NPLS图像不仅再现了激波和湍流边界层等流场精细结构,时间相关的NPLS图像还反映了流场结构随时间的演化特征。为分析气动光学畸变的时间演化特性,本文采用DPIV技术研究超声速光学头罩流场的速度分布。本文构建的超声速流动DPIV系统,选用在超声速流场中跟随性良好的纳米粒子作示踪粒子;选用高精度的同步控制器和高脉冲能量激光器,以及多种高精度的超声速速度场算法,获得了超声速光学头罩的速度场,结果较好地反映了流场的速度分布。 超声速光学头罩流场的NPLS图像反映了流场的密度分布,但如何从NPLS图像中提取出高时空分辨率的密度场,进而计算流场诱导的气动光学效应,是一个亟待解决的难题。基于NPLS技术,本文首次提出了一种新的超声速密度场测量方法—基于NPLS的密度场测量技术(NPLS-based Density Technique,NPLS-DT)。该方法首先消除NPLS图像中背景噪声、光强分布不均匀等因素的影响,再采用斜激波校准方法将NPLS图像灰度与当地流场密度的关系定量化,进而实现超声速光学头罩密度场的定量测量。采用NPLS-DT技术获得的超声速光学头罩密度场具有很高的时空分辨率,再现了流场中的精细密度场结构;分析时间相关的超声速光学头罩密度场,可观察密度场随时间的演化规律。 本文采用NPLS-DT测得超声速光学头罩的密度场后,引入光线追迹方法,首次开发了一种新的气动光学波前测量方法—基于NPLS的波前测量技术(NPLS-based Wavefront Technique, NPLS-WT)。NPLS-WT有三个显著的特点:高时空分辨率;能够对流场进行局部分析,避免其它测量方法的积分效应;可避免风洞边界层和环境干扰等因素的影响。采用NPLS-WT研究了平面光波通过超声速光学头罩流场后产生的波前畸变,并选用多分辨率分析、分形分析等方法,获得了波前畸变与流场结构之间的相互作用规律:(1)获得了不同流场结构对光学波前影响的规律:激波、膨胀波的存在主要导致了波前的整体倾斜,而湍流边界层中的大尺度涡结构主要影响波前的局部分布;(2)多分辨率分析结果表明,近场波前对分辨率并不敏感,证实了大尺度结构是影响近场波前整体分布的主导因素;(3)波前畸变的频域分析表明,超声速光学头罩气动光学波前畸变的频率很高,目前的自适应光学系统尚无法满足其高频要求,提高超声速光学头罩气动光学性能可以通过优化光学窗口的几何外形和抑制大尺度涡结构的产生等方法来实现;(4)对湍流边界层波前的分形分析,反映了不同的各向异性参数下,波前对小尺度结构有不同的依赖性;各向异性参数等于某一特定值时,在某一小尺度区域内,波前的覆盖维数为一常量,波前分布具有自相似性。为比较不同条件下超声速光学头罩流场的气动光学性能,采用数值模拟方法研究了超声速光学头罩的平均流场及其相应的光学波前畸变,并分析了波前畸变与攻角以及来流马赫数之间的关系。 基于背景纹影(Background Oriented Schlieren, BOS)技术,本文首次开发了一种高时间分辨率、高时间相关分辨率的光学波前测量方法—基于BOS的波前测量技术(BOS-based Wavefront Technique, BOS-WT),可用于研究光学波前的瞬态分布。采用该方法获得了超声速光学头罩流场的光学波前的瞬态分布,还分析得到了波前畸变随时间的演化特性。


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