飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測速在超聲速混合層流動測量中的應(yīng)用

陳 力， 殷一民， 李玉棟， 李 猛， 陳 爽

（1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室，四川 綿陽 621000）

1 引 言

速度是描述流動的主要參數(shù)，幾乎所有的流動現(xiàn)象都與流場速度密切相關(guān)，比如基于速度分布定義的邊界層的厚度參數(shù)，壁面摩擦速度和黏性系數(shù)與速度剖面密切相關(guān)，高超聲速飛行器表面熱流密度與速度近似成3 次方快速增長等[1］。風(fēng)洞實驗是飛行器設(shè)計過程中不可缺少的一部分[2］。在風(fēng)洞實驗中，流場速度的測量精度直接影響飛行器模型氣動系數(shù)測量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響飛行器氣動性能的預(yù)測精度[3］，因此，速度場的精確測量在空氣動力學(xué)研究和風(fēng)洞實驗中具有十分重要的意義。

風(fēng)洞實驗中的氣體流場速度測量方法包括接觸式測量和非接觸測量兩大類。傳統(tǒng)接觸式皮托管測速和熱線風(fēng)速儀測速技術(shù)[4］相對成熟，但在超聲速測量中會產(chǎn)生激波等復(fù)雜流動現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾流場，帶來測量誤差。基于粒子示蹤的粒 子 圖 像 測 速（Particle Imaging Velocimetry，PIV）[5］、激 光 多 普 勒 測 速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）[6］、多 普 勒 全 場 測 速（Doppler Global Velocimetry，DGV）[7］等光學(xué)測速方法，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但由于測量中需要添加納米或微米量級的固、液示蹤粒子，在高超聲速、近壁面以及混合層等測量中，粒子的播散尤其是跟隨性很難保證。此外，在激波、轉(zhuǎn)捩等影響下，要獲得最重要的激波前后、附面層、旋流及轉(zhuǎn)捩區(qū)域的速度分布極為困難。與PIV 等不同，分子示 蹤 測 速（Molecular Tagging Velocimetry，MTV）采用跟隨性很好的分子作為示蹤物，能夠克服示蹤粒子跟隨性差的問題，在超聲速、燃燒等復(fù)雜流動測量中發(fā)揮了重要作用。葉景峰[8］、Li[9］等先后對MTV 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。總體而言，MTV 能夠有效解決一些復(fù)雜流動速度測量中的問題，但它通常需要“讀”“寫”兩套系統(tǒng)，系統(tǒng)相對復(fù)雜，適用范圍有限。隨著飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，2011 年Michael 等提出了飛秒激光電子激發(fā)標(biāo)記測速（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging， FLEET）[10］方法，通過熒光標(biāo)記的N2示蹤來獲得流場速度，為MTV 提供了新的技術(shù)路線，降低了傳統(tǒng)MTV 測量系統(tǒng)的復(fù)雜性。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對FLEET 技術(shù)開展了大量研究。普林斯頓大學(xué)2011 年最早提出FLEET 技術(shù)，2013 年利用小型超聲速射流評估了技術(shù)的準(zhǔn)確性，2014年實現(xiàn)了3個方向速度和加速度的測量，2015 年實現(xiàn)了溫度和速度的同時測量[11］，2017 年在燃燒流場測量中實現(xiàn)了應(yīng)用，2018年開展了氬氣增強飛秒激發(fā)研究[12］，2019年在AEDC 的9 號 風(fēng) 洞 中 開 展 了 高 超 聲 速 流 場 測 量[13］，2021年進(jìn)一步在該風(fēng)洞嘗試了馬赫數(shù)為18的速度測量[14］。此外，2016 年，Jiang 等[15］發(fā)展了雙光子吸收共振（STAR）FLEET 技術(shù)，提升了激發(fā)效率。2017 年，Burns 等[16］將FLEET 技術(shù)應(yīng)用于0.3 m低溫風(fēng)洞測量。2021 年，Gopal等[17］在電弧風(fēng)洞上實 現(xiàn) 了1.78 km/s 的 速 度 測 量。Fisher 等[18］2020年利用Burst 模式實現(xiàn)了kHz～MHz 的測量，2021年實現(xiàn)了馬赫數(shù)為6 的靜風(fēng)洞速度測量[19］。Zhang等[20］在2021 年開展了多線測量研究，2022 年進(jìn)一步嘗試了點線結(jié)合兩分量的速度測量[21］。

國內(nèi)開展FLEET 技術(shù)研究的機構(gòu)主要有天津大學(xué)、西南科技大學(xué)和本課題組所在的中國空氣動力研究與發(fā)展中心。西南科技大學(xué)與本課題組聯(lián)合開展了FLEET 機理研究[22-23］。天津大學(xué)與本課題組合作開展了小型超聲速自由射流FLEET 速度測量方法的研究[24］，還研究了激光波長和能量對FLEET 的影響，以及基于CN 的熒光信號增強方法，并在實驗室環(huán)境測量了燃燒流場的速度和混合分?jǐn)?shù)[25］。本課題組與天津大學(xué)和西南科技大學(xué)研究了FLEET 機理，在初步評估飛秒激發(fā)對流場影響的基礎(chǔ)上，針對一微型射流剪切裝置完成了剪切流動速度的實驗測量[3］。

超聲速混合層廣泛存在于高速飛行器動力、氣動及光學(xué)系統(tǒng)中，已經(jīng)成為影響飛行器系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵因素[26］。本文基于飛秒激光器和由高增益像增強器和高速相機構(gòu)成的熒光探測系統(tǒng)，建立了一套FLEET 測速裝置，并成功應(yīng)用于超聲速混合層流動速度的實驗測量，獲得了馬赫數(shù)3.0 的射流分別與馬赫數(shù)2.0，2.5 及2.9 的射流形成的混合流動速度的分布測量結(jié)果，驗證了該系統(tǒng)在復(fù)雜流動速度分布測量中的能力。

2 測量原理及裝置

2.1 測量原理

飛秒激光具有很強的峰值功率密度（約為1018W/m2），利用飛秒激光可高效光解和電離風(fēng)洞實驗中普遍存在的N2分子產(chǎn)生N 原子，N 原子通過復(fù)合產(chǎn)生激發(fā)態(tài)分子，激發(fā)態(tài)分子向低能級躍遷時會輻射熒光信號，熒光壽命可超過百微秒，其詳細(xì)的物理機制可參考文獻(xiàn)[10，24］等。FLEET 技術(shù)通過將飛秒激光器輸出的脈沖激光聚焦整形成絲后，激發(fā)流場中的N2分子產(chǎn)生長壽命電子熒光，形成熒光標(biāo)記。被標(biāo)記后的N2分子一邊保持其原來的流動狀態(tài)，一邊持續(xù)輻射電子熒光，通過拍攝t0和t1兩個不同時刻，熒光標(biāo)記N2分子所在空間的位置S(t0)和S(t1)，由時間-位移關(guān)系獲得流場速度：

2.2 測量裝置

FLEET 測量裝置主要由飛秒光源、熒光傳輸及成絲光路、熒光探測系統(tǒng)、時序控制器和數(shù)據(jù)處理軟件組成，如圖1 所示。飛秒光源的中心波長為800 nm，脈沖寬度為120 fs，單脈沖能量為6 mJ，出光頻率為1 kHz。光路主要由多個透鏡組合而成，可靈活調(diào)整激光的傳輸方向，并根據(jù)測量距離控制飛秒光絲的長度和直徑，實現(xiàn)對N2分子的高效示蹤標(biāo)記。熒光探測系統(tǒng)由高速像增強器和高速相機組合而成，用于精確記錄不同時刻標(biāo)記分子的空間位置，探測系統(tǒng)的最短門寬為3 ns，幀頻可達(dá)20 kHz。時序控制器用于精確控制飛秒激光器的出光時刻，以及熒光探測系統(tǒng)與飛秒激光的時序關(guān)系、曝光門寬，控制精度可達(dá)0.25 ns。數(shù)據(jù)處理軟件通過對采集的熒光標(biāo)記線圖像進(jìn)行去噪、增強和擬合等手段，識別出光絲的空間坐標(biāo)位置，并解算出流場的速度，光絲位置的識別精度可達(dá)亞像素級。

圖1 FLEET 測量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of FLEET system

3 超聲速混合層流動裝置

本文搭建了一座小型超聲速混合層流動裝置，該裝置主要由進(jìn)氣段、擴散段、穩(wěn)定段、噴管、實驗段和超擴段組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。裝置主體分為上下兩部分，上下噴管型面不同，通過由兩個獨立供氣通道組成的進(jìn)氣段，提供高總壓的空氣，產(chǎn)生不同馬赫數(shù)的氣流，進(jìn)入實驗段后形成混合流動。實驗段尺寸為20 mm（寬）×30 mm（高）×300 mm（長），混合層流動裝置的總長度為1 380 mm（從擴散段入口到超擴段出口，不含進(jìn)氣段）。裝置由高壓儲氣罐供氣，氣源壓力為2.0×106Pa，氣源容積為1 m3。共配有3 套組合噴管，其中上噴管設(shè)計馬赫數(shù)固定為3.0，下噴管設(shè)計馬赫數(shù)分別為2.0，2.5 和2.9，以形成不同的超聲速混合層流動。實際運行的流場校測參數(shù)如表1所示。

表1 超聲速混合層流動工況及流場校測結(jié)果Tab.1 Operation conditions of supersonic mixing layer facility and measurement result of flow field

圖2 超聲速混合層裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of supersonic mixing layer facility

4 實驗與結(jié)果

4.1 速度測量實驗與結(jié)果

針對表1 所示的3 種工況，利用FLEET 技術(shù)在超聲速混合層裝置上開展了速度測量實驗，測量位置距離噴管出口65 mm。實驗中，熒光探測系統(tǒng)的曝光時間為0.4 μs，時序控制精度優(yōu)于0.25 ns。針對每一種工況，以飛秒激光器出光時刻為計時零點，分別采集了延遲0 μs（熒光基線）、延遲5 μs 和延遲10 μs 3 個不同時刻的示蹤分子熒光圖像，其中延遲5 μs 和延遲10 μs 的熒光圖像由兩車實驗獲得。為了便于比較，圖3 給出了工況1 獲得的3 個不同時刻的熒光圖像合成圖，從左至右3 條熒光圖像對應(yīng)的拍攝時刻分別為0，5，10 μs。可以發(fā)現(xiàn)，隨著延遲時間由5 μs 增加到10 μs，由于氣流的運動，電子熒光圖像在氣流流動方向上（圖3 中氣流方向為從左至右流動）距離基線的位置明顯增加；對于同一延遲時間下的每一條電子熒光曲線，由于來流馬赫數(shù)不同，熒光圖像被分成三部分，上半部分對應(yīng)馬赫數(shù)3.0 射流形成的電子熒光圖像，它在相同的時間延遲下移動的位移最大，在圖像上表現(xiàn)為離基線最遠(yuǎn)；下半部分對應(yīng)馬赫數(shù)2.0 射流形成的電子熒光圖像，由于速度相對較慢，它在熒光圖像上與基線位置的距離短于馬赫數(shù)3.0 的熒光圖像；電子熒光圖像的中間部分，由于上下主流來流馬赫數(shù)的不同，形成了明顯的混合層流動，不同空間位置因流動速度的差異，電子熒光曲線出現(xiàn)明顯的彎曲。

圖3 工況1 不同時刻示蹤分子熒光圖像Fig.3 Fluorescent filaments of FLEET for Case 1

從圖3 中可以看到，每一條熒光線在熒光圖像上的分布寬度約為幾十個像素，經(jīng)過分析，其強度總體呈高斯線型分布。為了提高標(biāo)記分子空間位置的識別精度，本文采用高斯擬合確定各標(biāo)記分子在不同時刻所處的圖像坐標(biāo)位置，擬合精度可達(dá)亞像素級。圖4 給出了圖3 中熒光基線在豎直方向200 像素所處位置的強度分布及高斯擬合效果。遍歷不同時刻每一條熒光圖像的不同位置，即可獲得所有熒光標(biāo)記分子不同時刻所處的圖像坐標(biāo)位置，如圖5 中的實線所示。

圖4 熒光信號的高斯擬合曲線Fig.4 Gaussian fitting plot of fluorescence signal

圖5 熒光標(biāo)記分子圖像坐標(biāo)的擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results for image coordinates of fluorescence tagging molecules

通過預(yù)先標(biāo)定好的圖像坐標(biāo)與流場真實空間坐標(biāo)的映射關(guān)系，即可由式（1）計算獲得混合流動速度的分布測量結(jié)果。圖6 給出了分別利用延遲5 μs 與基線，以及延遲10 μs 與基線計算獲得的馬赫數(shù)3.0 與2.0 形成的混合流動速度的測量結(jié)果。經(jīng)過進(jìn)一步分析，在馬赫數(shù)3.0 主流區(qū)域，兩種延遲時間測得的平均速度分別為621.3 m/s 和612.5 m/s；在 馬 赫 數(shù)2.0 主 流 區(qū)域，兩種延遲時間測得的平均速度分別為518.8 m/s 和519.9 m/s。而 根 據(jù) 表1 所 示 的 流場校測結(jié)果，馬赫數(shù)3.0 與馬赫數(shù)2.0 的主流區(qū)域的理論計算速度分別為619 m/s 和512 m/s，測量結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。

利用FLEET 技術(shù)，進(jìn)一步開展工況2 和工況3 下混合流動的速度分布測量實驗。圖7 給出了利用延遲時間10 μs 的熒光圖像與基線計算的3種工況下的速度分布結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在高速（馬赫數(shù)3.0）主流區(qū)域，3 種工況的速度基本相當(dāng)；而在低速主流區(qū)域，隨著馬赫數(shù)由2.0 逐漸增加到2.5 和2.9，F(xiàn)LEET 測得的平均速度由519.9 m/s分別增加到567.5 m/s 和612.7 m/s。

圖7 三種工況混合流動速度的測量結(jié)果Fig.7 Velocity measurement results for 3 different cases

在 速 度 測 量 不 確 定 度 方 面，參 考Gopal[17］及Grib[27］等的分析方法，根據(jù)式（1）所示的測量原理，F(xiàn)LEET 系統(tǒng)的速度測量不確定度為：

由此可見，速度測量不確定度主要由時間不確定度及位移不確定度共同決定。時間不確定度主要由同步時序控制器的控制精度確定，系統(tǒng)中優(yōu)于0.25 ns。在不考慮橫向位移的情況下，位移不確定度通過在無流動的情況下，采集100 幅飛秒脈沖激光激發(fā)的電子熒光圖像，通過高斯擬合分別獲得熒光線所處的空間位置確定。利用式（2）得到在延遲10 μs 的條件下，F(xiàn)LEET 裝置的速度測量不確定度優(yōu)于5 m/s。

4.2 混合層流場結(jié)構(gòu)

這里分別采用大渦模擬和常規(guī)透射式紋影實驗，獲得了超聲速混合流動的流場結(jié)構(gòu)。紋影實驗中，相機拍攝幀頻為7 000 frame/s，每幀圖像的曝光時間為2.5 μs，視場為距離噴管出口32～110 mm。圖8 給出了馬赫數(shù)3.0 與2.0 形成的混合流場大渦模擬及紋影獲得的流場結(jié)構(gòu)。從圖中可以清晰地觀察到流場中心區(qū)域明顯的混合層流動，利用圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的映射關(guān)系，對紋影結(jié)果中間密度變化較大的區(qū)域進(jìn)行分析，得出混合層厚度從前至后約4.2～5.8 mm，在距離噴管出口65 mm 處的厚度約為4.5 mm。根據(jù)FLEET 速度分布的測量結(jié)果，如圖6 所示，將速度開始持續(xù)快速下降處設(shè)定為混合層起始邊界，得到的混合層厚度為4.3 mm，與紋影實驗結(jié)果基本相符。

圖8 流場結(jié)構(gòu)大渦模擬（上）及紋影（下）的結(jié)果Fig.8 Flow structure results by large eddy simulation（above） and schlieren experiment （below）

5 結(jié) 論

本文基于飛秒激光器和由高增益像增強器和高速相機組成的熒光探測系統(tǒng)，建立了一套FLEET 測速裝置，并成功應(yīng)用于超聲速混合流動速度測量實驗，獲得了馬赫數(shù)3.0 射流分別與馬赫數(shù)2.0，2.5 及2.9 射流形成的混合流動速度分布測量結(jié)果。結(jié)果表明，利用延遲10 μs 的熒光標(biāo)記線與熒光基線的位移差，實驗中FLEET獲得的速度測量不確定度優(yōu)于5 m/s；在高低速主流區(qū)，F(xiàn)LEET 測量的速度結(jié)果與計算結(jié)果基本一致；在混合層，F(xiàn)LEET 實現(xiàn)了較大梯度的速度分布測量，混合層的厚度與紋影實驗結(jié)果基本一致。該FLEET 裝置具有較強的工程實驗?zāi)芰Γ軌蛴糜诔曀倩旌狭鲃拥葟?fù)雜流動速度的分布測量。