帶噴流的超聲速光學頭罩流動顯示

朱楊柱 易仕和 田立豐 陳 植

(國防科技大學航天與材料工程學院，長沙410073)

成像制導導彈在大氣中作超聲速飛行時，速度越高，其光學頭罩受到的氣動加熱越嚴重.這不僅給光學頭罩結構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效應，降低目標分辨率，增大導彈的瞄視誤差，因此必須對光學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，是光學窗口的冷卻方式之一.引入噴流后，超聲速光學頭罩流場結構勢必變得更為復雜，流場中同時出現激波、層流邊界層、湍流邊界層、超超混合層等復雜結構，造成更為嚴重的氣動光學效應.為揭示有無噴流的超聲速光學頭罩流場引起的氣動光學效應機理，獲得其流場精細結構就十分必要.傳統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;干涉方法［2］，則成本太高并且易受外界環境干擾的影響;激光誘導熒光(LIF，Laser Induced Fluorescent)方法［3］是20世紀80年代發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構的要求;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.

NPLS技術，是近年來發展的一種新型流動顯示技術，可實現空間尺度微米到米量級、時間尺度納秒量級、時間相關尺度微秒到秒量級的流動顯示與測量.NPLS技術發展至今，已成功應用于超聲速混合層［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構［6-7］.

1 實驗裝置及實驗條件

1.1 超聲速風洞及實驗模型

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

圖1 KD-03超聲速風洞

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計方法設計一個小噴管，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.噴流氣源為風洞穩定段氣體，通過設計的總壓調節器可以調節噴流出口靜壓，噴流總壓最高為0.1 MPa.

圖2 模型示意圖

1.2 NPLS系統簡介

圖3為NPLS系統的示意圖.該系統包括計算機、CCD相機、納米粒子發生器、同步控制器和Nd:YAG雙腔脈沖激光器.系統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］.實驗采用行間傳輸的雙曝光 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，得到時間相關的兩幅 NPLS圖像［5，10］.

圖3 NPLS系統示意圖

2 流動顯示實驗研究

本文對帶噴流的超聲速光學頭罩對稱面內流場進行了流動顯示實驗研究，為便于比較分析，設計了3種實驗狀態，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種實驗狀態分別完成于不同的實驗車次，各狀態下來流參數一致，馬赫數 Ma∞=3.8，總壓 P0=0.1 MPa，總溫T0=300 K，噴流馬赫數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 無噴流狀態流動顯示

無噴流狀態的流場NPLS圖像如圖4所示，兩幅圖時間間隔為5 μs.觀察發現，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，產生一系列膨脹波，流動經過臺階后在光學窗口上再附，從而產生一道再附激波.圖中還可以清晰地看到邊界層由層流轉捩為湍流的情景.此種狀態光學窗口上方層流區域較長，對氣動光學性能影響不大［12］.

2.2 噴流出口壓力大于外流壓力狀態流動顯示

圖4 無噴流時的NPLS圖像

調節噴流總壓，使噴流出口壓力達到最大值，觀察流場NPLS圖像，發現在噴流出口處產生一道激波，故可肯定此時噴流出口壓力大于外部繞流壓力.將噴流總壓調節到最大即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生混合層，可以清楚地看到渦結構，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，故而又出現一系列膨脹波，之后有道大渦誘導的激波，最后在流場下游完全發展成湍流邊界層.總的來說，噴流能夠覆蓋住光學窗口，起到冷卻保護窗口的作用［14］，但窗口上方層流區域較無噴流情況很短，流場結構在此狀態下變得更為復雜，氣動光學性能將更加惡化.

2.3 噴流出口與外流壓力匹配狀態流動顯示

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.可以發現，噴流相對圖5所示較薄，同樣形成氣膜覆蓋住光學窗口，亦起到冷卻窗口的作用;但這種狀態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，迅速衰減并發展成為湍流邊界層;另外，壓力匹配狀態下噴流與外流混合層的轉捩過程相對圖5更為明顯，能夠精確捕捉到不穩定渦結構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較有利于進行氣動光學校正.

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，下圖中對應的橢圓框是5 μs后該渦的位置.從3種狀態的流場NPLS圖像中均可以看出，5 μs時間內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 結論

本文利用NPLS技術對帶冷卻噴流的超聲速光學頭罩對稱面內流場進行了流動顯示實驗研究.對比研究發現:無噴流情況下光學窗口上方的大部分流場處于層流狀態，對氣動光學性能的影響較小，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窗口，將外部高溫氣流與光學窗口隔開，從而起到對窗口冷卻的作用，但此時剪切層的層流區域較短，逐漸轉捩至湍流狀態，對氣動光學性能的影響較大;噴流出口壓力高于外界壓力情況下的剪切層轉捩位置比壓力匹配情況下較為靠前，光學窗口上方的渦結構也較為復雜，比較而言，后者對氣動光學性能的影響更大.高分辨率的流場NPLS圖像清晰再現了各種狀態下的流場波系結構、剪切層、邊界層、混合層、尾流等精細結構，為進一步的帶噴流氣動光學研究積累了豐富經驗;對時間相關的流場NPLS圖像分析，可以精確測定邊界層及混合層內各種擬序結構的幾何特性和時間演化特性.

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