帶后臺階超聲速光學(xué)頭罩流動機理及其氣動光學(xué)效應(yīng)試驗研究.pdf

1、成像制導(dǎo)飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時，光學(xué)頭罩與來流之間相互作用形成復(fù)雜流場，造成成像系統(tǒng)接收的目標(biāo)光線產(chǎn)生嚴(yán)重的偏移、抖動、模糊及強度衰減等氣動光學(xué)效應(yīng)，極大影響跟瞄精度；光學(xué)頭罩類型一般有平窗、凹窗、氣膜冷卻窗口等。在高速來流作用下，光學(xué)窗口表面氣動熱環(huán)境惡劣，一般采用超聲速氣膜冷卻方法對窗口表面進行冷卻，即在窗口前段構(gòu)造后臺階沿窗口切向向下游噴射低溫射流形成氣膜覆蓋窗口表面，起到冷卻作用。引入后臺階結(jié)構(gòu)之后，光學(xué)頭罩流場變得更為復(fù)雜

2、，因此為提高成像系統(tǒng)的氣動光學(xué)性能，需要對帶后臺階的光學(xué)頭罩流動機理及其引起的氣動光學(xué)效應(yīng)開展研究。
　　本文以基于納米示蹤的平面激光散射(Nano-tracer Planar Laser Scattering,NPLS)技術(shù)及基于背景導(dǎo)向紋影的波前傳感技術(shù)(Background Oriented Schlieren based Wavefront Sensing,BOS-WS)為主要試驗手段，結(jié)合表面壓力測量和紋影測量，分別對有

3、噴流帶后臺階的三維光學(xué)頭罩縮比模型、有噴流二維后臺階模型、無噴流不同臺階高度及不同來流控制條件的二維后臺階模型的超聲速流動機理開展了一系列試驗研究，并測量了其氣動光學(xué)效應(yīng)。
　　首先對開展試驗所用的風(fēng)洞設(shè)備及其流場參數(shù)進行了詳細介紹，概括總結(jié)了流場測試所用的NPLS技術(shù)，分析驗證了納米示蹤粒子的跟隨性，對BOS技術(shù)的國內(nèi)外進展作了簡要回顧并重點介紹了BOS-WS技術(shù)的原理及其波前重構(gòu)過程。
　　針對帶噴流的超聲速三維光學(xué)頭罩

4、縮比模型，分別在馬赫數(shù)3.8、3.4、3.0的來流條件下開展了流場精細結(jié)構(gòu)NPLS測量，比較了不同馬赫數(shù)對流場瞬態(tài)結(jié)構(gòu)及時間平均結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)馬赫數(shù)越低，噴流與主流的混合層轉(zhuǎn)捩越快，無噴流狀態(tài)的再附更靠近上游且再附激波角度更大；基于BOS-WS技術(shù)，測量了對馬赫數(shù)3.4及3.0條件下波長532nm光波穿過頭罩窗口上方流場的光線偏移及其光程差(Optical path difference,OPD)分布，比較了馬赫數(shù)及噴流結(jié)構(gòu)對OPD的

5、影響，并給出了微秒量級時間內(nèi)流動結(jié)構(gòu)變化對OPD的抖動影響，對比發(fā)現(xiàn)：同樣狀態(tài)下隨著馬赫數(shù)增大OPD均方根值(OPDrms)減小，有噴流工作時OPDrms較小，馬赫數(shù)增大，流場結(jié)構(gòu)演化引起的光學(xué)抖動效應(yīng)增大。
　　采用NPLS技術(shù)，對馬赫數(shù)3.4來流中對有無60目砂紙粗糙帶擾動、帶切向超聲速噴流的二維后臺階模型進行了試驗研究，揭示了不同來流條件下的流動精細結(jié)構(gòu)，研究了湍流結(jié)構(gòu)的時間演化特性，給出了湍流運動變形的時間特征尺度及其形成

6、周期?；贜PLS結(jié)果，對有無粗糙帶擾動時無噴流后臺階下游流場不同尺度結(jié)構(gòu)的初始形成點(IFPs)分布范圍進行了統(tǒng)計，揭示了超聲速后臺階流場大尺度結(jié)構(gòu)的分布特性。有粗糙帶影響時，后臺階下游流場結(jié)構(gòu)迅速增長，不同高度結(jié)構(gòu)的分布更為集中，范圍收窄。采用計盒維數(shù)法給出了沿流向的分形維數(shù)分布，并分析了其分形特征。無噴流二維后臺階流場整體分形維數(shù)高于有噴流情況，有粗糙帶擾動流場分形維數(shù)則高于無擾動情況；分形維數(shù)沿流向呈逐漸增大趨勢，且無粗糙帶情況

7、的無噴流后臺階下游重新發(fā)展邊界層分形維數(shù)要小于有粗糙帶情況，但二者均在下游湍流充分發(fā)展的地方趨于同一值；有粗糙帶擾動時，有噴流后臺階流動轉(zhuǎn)捩較快，分形維數(shù)在很短距離內(nèi)增大，且拐點較無粗糙帶擾動情況出現(xiàn)較早。對后臺階流場湍流間歇因子進行了統(tǒng)計分析，通過間歇因子分布得出湍流界面高度分布規(guī)律及不同位置處的湍流破碎程度。針對不同的激光光強分布，對流場圖像進行了密度校準(zhǔn)并給出密度-灰度關(guān)系式，然后基于NPLS-WS技術(shù)，獲得了不同時刻x=15h-

8、35h流場區(qū)域的OPD分布。無噴流時該區(qū)域內(nèi)OPD曲線逐漸降低，有噴流時該區(qū)域內(nèi)OPD曲線向下游逐漸增大；有粗糙帶擾動時OPD整體較無粗糙帶擾動情況較小；5μs時間內(nèi)OPD曲線表現(xiàn)為一定程度的向下游平移特征。
　　改變臺階高度分別為3mm、5mm、10mm，在馬赫數(shù)3.4來流中，對臺階上游流動分為無控制、36目砂紙粗糙帶擾動、微渦流發(fā)生器(Micro-vortex generator, MVG)擾動三種狀態(tài)的二維后臺階流動開展了試

9、驗并測量了模型表面靜壓分布?；贜PLS技術(shù)獲取大量瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu)的高時空分辨率圖像，揭示了不同條件下的超聲速后臺階流動精細結(jié)構(gòu)，分析了流場結(jié)構(gòu)時間演化規(guī)律及其平均結(jié)果。對后臺階流場的分形維數(shù)、湍流間歇因子及空間相關(guān)性進行了統(tǒng)計分析，由湍流間歇因子分布曲線對不同來流擾動條件及不同臺階高度后臺階流場不同位置處湍流界面高度及其湍流破碎程度進行了比較討論?；贐OS-WS技術(shù)研究了超聲速后臺階側(cè)向流場對光線傳輸?shù)挠绊懀o出了光線偏移量及其OPD