沖擊射流的彩虹紋影實驗研究

吳文堂, 洪延姬, 葉繼飛, 蔣冠雷

(1. 裝備學院 激光推進及其應用國家重點實驗室, 北京 101416; 2. 北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100094)

0 引 言

超聲速沖擊射流是航空航天技術領域遇到的普遍問題。由于沖擊射流的流場結構非常復雜，包含超聲速與亞聲速流動，有激波和渦之間的相互作用，也有激波與激波以及激波與剪切層的相互作用。因此，無論是工程應用還是基礎研究，沖擊射流都極具研究價值。

國外學者在這一問題上的研究較多，而且比較系統深入。早期的研究者利用紋影技術和表面壓力測量技術，研究沖擊射流的結構和流動特性，研究表明碰撞區域能否產生滯止泡(Stagnation Bubble)取決于來流條件。一般認為在沖擊射流初始階段，高壓氣體在噴管唇部迅速膨脹，形成了類似球狀的不斷向外擴張的起始沖擊波，沖擊波遇到射流邊界以后，形成一道入射激波。此外，起始沖擊波遇到平板后發生反射，形成曲面激波，該激波與平板相互作用后發生馬赫反射，在曲面激波后面形成了局部高溫高壓區；隨著時間的進一步發展，射流激波遇到馬赫盤后發生反射，形成反射激波，同時有三角波交點出現，馬赫盤向前突起，直徑變大；最后整個流場結構趨于穩定。在實驗研究方面，Thomas等[1-2]、 Mitchell等[3-4]以及Elavarasan等[5-6]分別采用陰影法、紋影法和PIV流場測量方法，對沖擊射流的結構特性進行了研究。國內研究者徐驚雷[8]、姚朝暉[9]等利用PIV方法對沖擊射流的流場結構和渦結構進行了深入研究。總體來看，國內外對于沖擊射流的研究比較系統，據查閱的文獻資料來看，彩虹紋影技術用于沖擊射流的實驗研究相關工作，鮮有涉及。

利用彩虹紋影測量系統，對高速沖擊射流的流場結構和渦結構進行深入研究，提升對這一類流場結構的感觀認知。

1 測量裝置

本研究采用彩虹紋影系統對沖擊射流進行實驗研究，彩虹紋影是一種新型的紋影技術，其主要特點是獲得流場信息量大、非入侵定量測量精度高、成本低，是近年來國內外研究者在流動測量技術中的研究熱點[9-13]。圖1為所使用的彩虹紋影測量系統示意圖。該系統組成部分包括：A為氙燈光源及透鏡光闌組；B為冷噴射流及控制系統；C為直徑為150mm紋影鏡組；D為直徑為150mm平面反射鏡；E為彩虹濾光片和成像系統。

實驗中使用的彩虹濾光片制作過程包括兩步：第一步是利用Matlab軟件設計好所需的濾光片樣式；第二步是使用膠卷相機將所設計的濾光片拍攝到膠卷底片上，然后沖洗出來。膠卷為富士Chrome Velvia RVP 50°反轉片，反轉片的特性在于膠卷底片沖洗出來以后，底片上的顏色為實際景物的顏色，膠卷的ISO度數值越低，顆粒越細膩，生成的濾光片靈敏度越高，但需要的曝光時間越長。彩虹濾光片的厚度不能太大，厚度太大會使實驗結果顏色失真，同時也會影響實驗系統的靈敏度。本實驗中的膠卷底片厚度為0.127mm，這個厚度對其所帶出的顏色的影響是可以忽略的。對于一面1500mm焦距，直徑150mm的反射鏡而言，當濾光片的寬度為最大值24mm時，按其最小和最大可能的偏折角計算，濾光片厚度對其色度產生的影響為(見圖2)：

圖1 實驗測量系統示意圖

(1)

圖2 濾光片厚度對測量的影響

顯然，由于該值小于理論上每個像素的大小0.025mm，可以認為濾光片的厚度對其色度產生的影響是可以忽略的。圖3是安裝在測量系統中的彩色濾光片實物圖。在彩色濾光片的安裝過程中，必須保持彩色濾光片的平整，同時保證彩色濾光片的主要色度變化區與狹縫光源的成像平行。

圖3 安裝在測量系統中的彩色濾光片實物圖

2 實驗結果及討論

利用彩虹紋影測量系統對噴嘴直徑Φ=6mm的沖擊射流進行了大量的實驗研究。獲得不同時刻的沖擊射流的彩虹紋影圖像，可以觀察到沖擊射流的較多有趣的特性。

圖4是相同壓比η=19.8的條件下，沖擊射流與自由射流的彩虹紋影局部圖像。沖擊射流一般分成三個區域：初始射流區、碰撞區和徑向壁面射流區，如圖4(a)所示，這三個區域都比較明顯。在相同壓比條件下，沖擊射流產生的馬赫盤比自由射流產生的馬赫盤大很多。顯然，在沖擊射流中，噴管出口處的來流流向速度是超聲速的，而且還存在膨脹波，周圍的來流處在加速階段，而在碰撞的壁面附近氣流流向速度為零，來流必須在一個較短距離內完成這種突然間的變化，因而形成了寬度較大的馬赫盤。自由射流不存在這種突然間的變化，因而可以緩慢過渡，形成的馬赫盤較小。

(a) Impinging jet (b) Free jet

圖5為噴嘴與擋板距離為l=9mm時，三種不同結構沖擊射流的彩虹紋影圖像以及結構示意圖。圖5(a)左圖是壓比較大的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，實驗結果中，沖擊射流的膨脹波系、射流邊界以及產生的馬赫盤結構清晰，右圖是根據實驗結果所畫的波系結構示意圖，沖擊平板的氣流在平板壁面附近形成壁面射流，向兩邊流走。值得一提的是，由于這種類型的沖擊射流是軸對稱的，噴管出口的速度是中間高，四周低，因此形成的馬赫盤是一個凹型弧形平面，在二維平面上顯示為一條弧線和一條直線。圖5(b)左圖是壓比稍小的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，與壓力較大的沖擊射流結構相比較，最明顯的變化是馬赫盤變成一個平面，在二維平面上顯示為一條直線。圖5(c)左圖是壓比更小的沖擊射流彩虹紋影實驗圖像，與壓力較大的沖擊射流結構相比較，最明顯的變化是馬赫盤變成一個凸型弧形平面，在二維平面上顯示為一條弧線和一條直線。其原因是壓比變小之后，出口速度也迅速減小，同時沖擊區的平板壁面形成一個循環流動滯止區，將馬赫盤向上頂起，形成滯止泡。

(a)

(b)

(c)

3 結 論

利用彩虹紋影測量系統，對不同距離不同壓比的沖擊射流進行實驗研究，得到了一些效果較好的沖擊射流實驗結果，通過研究得到以下結論：

(1) 利用彩虹紋影系統獲得了清晰的沖擊射流實驗照片，很好地呈現了沖擊射流的波系結構，也證明了彩虹紋影系統的高分辨率和靈敏度；

(2) 通過對三種不同結構的沖擊射流的波系結構進行分析發現，沖擊射流的形成與來流條件相關，也與噴管噴口與沖擊壁面的距離相關。在噴嘴與擋板距離較大時，形成的射流結構與自由射流相似，壁面附近的射流區域不明顯。隨著距離減小，沖擊射流在壁面沖擊區附近射流比較劇烈。距離進一步減小時，出現滯止泡等結構；

(3) 發展的彩虹紋影系統，為研究超聲速流場顯示提供了一種可行方法。

參考文獻:

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作者簡介:

吳文堂(1987-)，男，湖南龍山縣人，博士生。研究方向：流動控制與流動顯示。通信地址：北京市懷柔區3380信箱86號(101416)。E-mail:aricwwt@sina.com