干涉瑞利散射測速技術(shù)在跨超聲速風(fēng)洞的湍流度測試應(yīng)用研究

楊富榮, 陳 力, 閆 博, 蘇 鐵, 鮑偉義, 陳 爽

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所 高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽 621000; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，來流的流動速度是最為基本的物理量，湍流度是風(fēng)洞流場品質(zhì)的重要參數(shù)，需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并對其影響進(jìn)行修正，以提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度2〗。如果湍流度測量不準(zhǔn)確，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的模型氣動系數(shù)也不精確，將會在很大程度上影響飛行器氣動性能的預(yù)測精度。特別是隨著現(xiàn)代航空、航天技術(shù)以及空氣動力學(xué)科的迅速發(fā)展，超聲速、高超聲速飛行器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，對來流湍流度的測量需求變得十分迫切，發(fā)展先進(jìn)的速度及湍流度測量技術(shù)，提供可靠的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對促進(jìn)國家高速飛行器及武器裝備的快速發(fā)展和推動空氣動力學(xué)科不斷進(jìn)步具有十分重要的意義。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞流場湍流度測量的技術(shù)主要有熱線風(fēng)速儀測速技術(shù)[3]、激光多普勒測速技術(shù)[4-5]和時(shí)間分辨粒子圖像測速技術(shù)[6]。熱線風(fēng)速儀多用于亞聲速、跨聲速流動湍流度測量，并且屬于接觸式測量，在測量過程中對流場有一定的干擾；激光多普勒測速技術(shù)和時(shí)間分辨粒子圖像測速技術(shù)在速度測量時(shí)需要添加示蹤粒子，目前受粒子添加技術(shù)及示蹤粒子本身跟隨性的影響，其在高速非定常流動的速度測量中受到較多的限制，甚至無法測量。

為實(shí)現(xiàn)高速流場速度脈動測量，20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了一種干涉瑞利散射(Interferometric Rayleigh Scattering, IRS)測量技術(shù)[7-11]，其通過對流場氣體分子瑞利散射光譜的分析，在不需要外加示蹤粒子的條件下，實(shí)現(xiàn)了對高速流場速度和湍流度等參數(shù)的非接觸測量。現(xiàn)有的干涉瑞利散射測量技術(shù)多采用光電倍增管，對瑞利散射光信號形成的干涉條紋進(jìn)行快速采集。NASA Glenn Research Center先后利用不同方案，將瑞利散射同一級次干涉條紋成像于不同的光電倍增管，再通過相應(yīng)圖像處理算法，獲取了時(shí)間分辨的干涉條紋在像平面的空間位置及線型分布，實(shí)現(xiàn)了流場速度脈動等參數(shù)的定量測量[1-2,12-14]。雖然光電倍增管具有較高的弱信號放大能力，但其在干涉條紋的快速采集過程中，需要利用光學(xué)器件將同一級次干涉條紋進(jìn)行空間分割，使其被不同的光電倍增管采集，并通過復(fù)雜的解算分析得到干涉條紋的空間位置及線型信息，這極大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；同時(shí)，由于該系統(tǒng)只能依靠少量光電倍增管探測的光強(qiáng)信息進(jìn)行分析，空間采樣率較低，在一定程度上降低了流場速度等參數(shù)的測量精度。為此，本文將高幀頻的EMCCD相機(jī)應(yīng)用于干涉瑞利散射測速技術(shù)中，結(jié)合大功率窄線寬連續(xù)激光器和法布里-珀羅干涉儀，在大幅簡化光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了一套干涉瑞利散射測速裝置，實(shí)現(xiàn)了高速流場速度脈動的非接觸測量，并將該裝置應(yīng)用于0.3m×0.3m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，獲得了Ma3.0條件下，風(fēng)洞來流速度及湍流度測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中裝置時(shí)間采樣率達(dá)到4kHz。

1 基本原理

當(dāng)一束激光入射到流場中時(shí)，會伴隨氣體分子的瑞利散射，當(dāng)流場氣體存在一定運(yùn)動速度時(shí)，瑞利散射光將相對入射激光發(fā)生多普勒頻移，頻移的大小與氣體的宏觀運(yùn)動速度相關(guān)，因此可通過對散射光相對于入射激光的多普勒頻移測量，實(shí)現(xiàn)對氣流運(yùn)動速度的定量測量[15]。

通常，流場氣體運(yùn)動速度引起的多普勒頻移很小，在波長532nm的激光照射下，100m/s的流動引起的多普勒頻移約為265MHz(波長頻移0.00025nm)，常規(guī)光譜儀已經(jīng)不能將其分辨，此時(shí)，基于多光束干涉原理的Fabry-Pérot干涉儀因具有很高的光譜分辨能力成為一個(gè)不錯(cuò)的選擇[9-17]。

Fabry-Pérot干涉儀是一種多光束干涉設(shè)備，其通過將不同波長的單色光，在像平面形成十分明銳且半徑不同的干涉圓環(huán)，可實(shí)現(xiàn)對光譜的超高精度分辨。在干涉瑞利散射測速系統(tǒng)中，流場氣體分子的散射激光由于多普勒效應(yīng)，將相對激光器輸出的參考激光產(chǎn)生一定的頻移，在Fabry-Pérot干涉儀的像平面，同一級次散射光與參考激光將形成獨(dú)立的、半徑不同的干涉圓環(huán)，散射信號干涉圓環(huán)的半徑與流場速度相關(guān)。因此，通過測量散射光干涉圓環(huán)的半徑，即可實(shí)現(xiàn)對流場速度的定量測量[15]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

2.1 裝置光路簡介

設(shè)計(jì)的干涉瑞利散射測速裝置主要由激光光源、散射光收集裝置、Fabry-Pérot干涉儀和EMCCD相機(jī)組成，如圖1所示。激光光源為大功率、窄線寬、連續(xù)激光器，波長為532nm，功率10W，線寬約5MHz。Fabry-Pérot干涉儀的通光口徑為50mm，端面反射率90%，自由光譜范圍約6.6GHz。EMCCD相機(jī)的最高幀頻可達(dá)到10 000 frames/s，即裝置的理論采樣率達(dá)到10kHz。散射光收集方向與入射激光傳輸方向之間的夾角可根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況合理設(shè)置。激光器輸出的激光經(jīng)分束器BS分出很小一部分進(jìn)入Y型光纖的一個(gè)輸入端，作為參考信號；大部分光經(jīng)焦距f=500mm的透鏡L1匯聚后照射被測流場，流場的瑞利散射光經(jīng)透鏡組L2(f=300mm)和L3(f=200mm)耦合進(jìn)入Y型光纖的另一輸入端，參考激光及瑞利散射信號光經(jīng)焦距f=30mm透鏡L4后形成平行光照射Fabry-Pérot干涉儀，再由焦距f=1000mm透鏡L5將多光束干涉形成的干涉圓環(huán)成像至EMCCD，EMCCD同步記錄了同一時(shí)刻參考激光及瑞利散射信號的Fabry-Pérot干涉條紋信息，如圖2(a)所示。通過分析同一時(shí)刻同一級次流場瑞利散射信號光相對于參考光干涉圓環(huán)半徑的變化，即可獲得散射光波長(頻率)的改變量，進(jìn)而獲得時(shí)間分辨的流場速度測量結(jié)果。系統(tǒng)的時(shí)序控制由一臺DG535實(shí)現(xiàn)。由于Fabry-Pérot干涉儀的自由光譜范圍完全由厚度確定，對于一定的多普勒頻移引起的干涉圓環(huán)半徑的變化量，相對于相鄰兩級次干涉圓環(huán)半徑差的比例是固定不變的，僅由頻移大小及Fabry-Pérot干涉儀的厚度決定，與成像透鏡L5的焦距無關(guān)[18]，因此，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前不需要速度預(yù)標(biāo)定。

圖1 干涉瑞利散射測速裝置示意圖

圖2 (a)同一時(shí)刻不同級次(只標(biāo)記出k，k-1)的參考激光(用黑色虛線標(biāo)記)及瑞利散射信號(用黑色點(diǎn)線標(biāo)記)形成的干涉圓環(huán)；(b)不同波長激光Fabry-Pérot干涉圓環(huán)一維強(qiáng)度分布計(jì)算結(jié)果，插圖為局部放大結(jié)果

Fig.2(a)Interferenceringsconsistofthereferencelaser(blackdottedlines)andtheRayleighlight(blacksolidlines)scatteredsimultaneouslyatdifferentlevels(k,k-1), (b)Computational1DintensitydistributionsofFabry-Pérotinterferenceringsatdifferentlaserwavelengths.Theinsetshowsapartiallyenlargedview

(1)

通過改變散射光收集方向，可實(shí)現(xiàn)不同方向速度脈動及湍流度的定量測量。

2.2 裝置速度分辨率理論分析

針對圖1所示的光路，模擬計(jì)算了不同波長激光經(jīng)Fabry-Pérot干涉儀多光束干涉后在像平面上的一維光強(qiáng)分布。圖2(b)給出了不考慮氣體分子熱運(yùn)動引起瑞利散射譜線展寬的條件下，波長為532.000 000、532.000 025和532.000 250nm的激光經(jīng)Fabry-Pérot干涉成像后，在像平面上光強(qiáng)的一維分布，由圖可知，隨著激光波長增加，同一級次干涉圓環(huán)半徑變小。以532.000 000和532.000 025nm的2束激光為例，這2束光的波長間隔為 0.000 025nm(相當(dāng)于Vk=10m/s速度引起的波長改變量)，其中心級次干涉極大值在像平面分開的距離為13μm，干涉條紋寬度約0.2mm。為了提高數(shù)據(jù)處理精度，可采用最小二乘擬合的方法對同一干涉級次強(qiáng)度進(jìn)行擬合處理，確定出干涉條紋中心位置，此時(shí)干涉條紋中心位置識別精度將優(yōu)于0.1像素，而測試裝置中相機(jī)的像元尺寸為16μm，即干涉條紋位置分辨率可達(dá)到1.6μm。在實(shí)際測試中，流場氣體分子的熱運(yùn)動，只會使干涉條紋變寬，而不會影響干涉條紋的中心位置，因此設(shè)計(jì)的干涉瑞利散射測速裝置的理論速度分辨率可達(dá)到1.23m/s。通過改變Fabry-Pérot干涉儀的參數(shù)，使用像元尺寸更小的EMCCD相機(jī)，還可進(jìn)一步提高裝置的速度分辨率。

2.3 裝置湍流度測量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證干涉瑞利散射測速裝置的性能，分別利用熱線風(fēng)速儀和本文研究的干涉瑞利散射測速裝置，對設(shè)計(jì)馬赫數(shù)1.8，出口直徑4.7mm的拉瓦爾噴管尾流的同一位置，開展了軸向速度脈動測量對比實(shí)驗(yàn)(為了避免激光干擾熱線測量結(jié)果，熱線測量實(shí)驗(yàn)與干涉瑞利散射測量實(shí)驗(yàn)分別獨(dú)立開展)。對比實(shí)驗(yàn)中，熱線風(fēng)速儀與干涉瑞利散射測速裝置的采樣率均設(shè)置為5kHz，即可測量的湍流度信號的最大頻率值均為2.5kHz[19]，采集時(shí)間為3s，拉瓦爾噴管入口壓力為0.7MPa。圖3和4分別給出了利用熱線風(fēng)速儀和瑞利散射測速裝置獲得的軸向速度脈動測量結(jié)果和相應(yīng)的功率譜計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過進(jìn)一步的計(jì)算，熱線風(fēng)速儀測量的該測點(diǎn)平均速度為280m/s，湍流度為7.08%；而干涉瑞利散射測速裝置測量該測點(diǎn)的平均速度為291m/s，湍流度為6.98%，實(shí)驗(yàn)證明，2種方法測量結(jié)果吻合較好，研究的干涉瑞利散射測速裝置可應(yīng)用于流場速度脈動及湍流度測量實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 熱線風(fēng)速儀速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

Fig.3Themeasuredvelocitypulsation(a)andthepowerspectrum(b)bythehotwireanemometry

圖4 干涉瑞利散射測速裝置速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

Fig.4Themeasuredvelocitypulsation(a)andthepowerspectrum(b)bytheIRSspeedometer

3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用干涉瑞利散射測速裝置，在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上，開展了超聲速流動軸向速度和湍流度測量實(shí)驗(yàn)研究。采用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)布局，實(shí)驗(yàn)中，超聲速氣流從右向左流動，連續(xù)激光器輸出的激光經(jīng)透鏡匯聚后穿過實(shí)驗(yàn)段右側(cè)觀察窗玻璃，并在實(shí)驗(yàn)段中心聚焦，測點(diǎn)位于該焦點(diǎn)處。散射光收集及信號采集光路系統(tǒng)與激光傳輸方向成78°夾角，實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)為3.0，總壓458.7kPa，靜壓11.26kPa，總溫298K，圖像采樣幀頻4282 frame/s(可測量的湍流度信號的最大頻率值為2141Hz[19])，對應(yīng)理論流場速度為620m/s。

圖5 干涉瑞利散射測速裝置在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上的實(shí)驗(yàn)布局

Fig.5Themeasuringlayoutin0.3m×0.3mtransonicwindtunnelusingthetime-resolvedIRSspeedometer

通過對風(fēng)洞來流的瑞利散射光譜進(jìn)行分析，得到Ma3.0條件下，實(shí)驗(yàn)段來流軸向的速度脈動測量結(jié)果和相應(yīng)的功率譜計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。經(jīng)過計(jì)算，該實(shí)驗(yàn)條件下，來流的軸向平均速度為630m/s，與計(jì)算結(jié)果基本吻合，來流湍流度為0.73%。

圖6 速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

4 結(jié) 論

基于瑞利散射原理，以大功率窄線寬連續(xù)激光器為光源、Fabry-Pérot干涉儀為光譜特性分析設(shè)備、高幀頻EMCCD相機(jī)為圖像采集設(shè)備，設(shè)計(jì)了一套單點(diǎn)干涉瑞利散射速度測量裝置，裝置采樣率達(dá)到4kHz。可得到以下結(jié)論：

(1) 經(jīng)過理論分析，所研究的干涉瑞利散射測速裝置的速度分辨率優(yōu)于1.23m/s；

(2) 通過與熱線風(fēng)速儀湍流度測量對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了干涉瑞利散射測速技術(shù)具備流場湍流度非接觸測量能力；

(3) 利用設(shè)計(jì)的干涉瑞利散射速度測量裝置，在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上，開展了Ma3.0條件下風(fēng)洞來流的軸向速度和湍流度測量實(shí)驗(yàn)研究，定量得到了實(shí)驗(yàn)段中心處的風(fēng)洞來流軸向速度和湍流度大小，測量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本一致，下一步將開高超聲速風(fēng)洞湍流度測試應(yīng)用研究。