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喷流致冷的超声速光学头罩流动及气动光学机理试验研究

朱杨柱  
【摘要】:精确制导导弹在大气中作超声速或高超声速飞行时,高速流场与光学头罩相互作用,形成激波、膨胀波、湍流边界层等复杂结构,引起光线的偏移、抖动、模糊、能量衰减,即所谓的气动光学效应,降低制导精度。另外在高速气流作用下,光学窗口表面温度会急剧升高,影响窗口的性能,因此需要对光学窗口进行冷却。在光学窗口表面射入低温超声速气流覆盖住光学窗口,是一种有效的冷却方式,但这将使流场变得更为复杂而引起更严重的气动光学效应。 本文对带喷流冷却的超声速光学头罩流场及其气动光学效应进行了试验研究。试验来流马赫数为3.8,喷流马赫数为2.5,设置三种试验状态即无喷流状态、喷流出口压力与外流压力匹配状态、喷流出口压力大于外流压力状态。 采用具有高时空分辨率的NPLS技术,获得了三种状态下的超声速光学头罩流场的时空精细结构。无喷流时,流场中的弓形激波、膨胀波、回流区、再附区、层流边界层、湍流边界层得到了清晰再现,有喷流时光学窗口上方则清晰可见混合层结构,喷流形成超声速气膜将外部绕流与窗口隔开,起到冷却作用,喷流压力大于外流压力时,流场中波系结构相对更为复杂,且混合层层流长度缩短,湍流区域增加。分别对三种状态下间隔5微秒的两幅NPLS图像分析发现流动的时间演化特征,并通过对大量NPLS图像处理得到流场的时间平均图像,分析流场的时间平均特征。 基于NPLS的速度场测量技术,利用纳米粒子作为示踪粒子,并综合采用多种高精度PIV算法,能够实现对超声速三维复杂流场某一截面的速度场测量。采用该技术分别对三种状态流场的速度分布进行了测量,结果成功反映了流场的速度分布,揭示了有无喷流情况下的流场动力学特性。 为进一步分析光线穿过光学窗口上方流场的畸变规律,利用基于NPLS的超声速密度场测量技术对三种状态的流场分别进行了密度测量,得到三种状态的瞬态密度场、时间平均密度场及瞬态脉动密度场,空间分辨率达微米量级,分析时间相关的密度场可以发现流场密度随时间的演化。 基于得到的高时空分辨率密度场,引入光线追迹方法,对入射波长532nm的平面光波穿过光学窗口上方流场后的波前畸变进行了分析,无喷流时波前畸变曲线相对较为简单,而有喷流时则变得更加复杂。更进一步地,对光学窗口上方的层流边界层、湍流边界层、混合层及各种大尺度结构对波前畸变的影响作了分析。


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