帶后臺(tái)階超聲速光學(xué)頭罩流動(dòng)機(jī)理及其氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究.pdf

1、成像制導(dǎo)飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)，光學(xué)頭罩與來(lái)流之間相互作用形成復(fù)雜流場(chǎng)，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(dòng)、模糊及強(qiáng)度衰減等氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，極大影響跟瞄精度；光學(xué)頭罩類(lèi)型一般有平窗、凹窗、氣膜冷卻窗口等。在高速來(lái)流作用下，光學(xué)窗口表面氣動(dòng)熱環(huán)境惡劣，一般采用超聲速氣膜冷卻方法對(duì)窗口表面進(jìn)行冷卻，即在窗口前段構(gòu)造后臺(tái)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(tái)階結(jié)構(gòu)之后，光學(xué)頭罩流場(chǎng)變得更為復(fù)雜

2、，因此為提高成像系統(tǒng)的氣動(dòng)光學(xué)性能，需要對(duì)帶后臺(tái)階的光學(xué)頭罩流動(dòng)機(jī)理及其引起的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)開(kāi)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(yàn)手段，結(jié)合表面壓力測(cè)量和紋影測(cè)量，分別對(duì)有

3、噴流帶后臺(tái)階的三維光學(xué)頭罩縮比模型、有噴流二維后臺(tái)階模型、無(wú)噴流不同臺(tái)階高度及不同來(lái)流控制條件的二維后臺(tái)階模型的超聲速流動(dòng)機(jī)理開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究，并測(cè)量了其氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。
　　首先對(duì)開(kāi)展試驗(yàn)所用的風(fēng)洞設(shè)備及其流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，概括總結(jié)了流場(chǎng)測(cè)試所用的NPLS技術(shù)，分析驗(yàn)證了納米示蹤粒子的跟隨性，對(duì)BOS技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展作了簡(jiǎn)要回顧并重點(diǎn)介紹了BOS-WS技術(shù)的原理及其波前重構(gòu)過(guò)程。
　　針對(duì)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(lái)流條件下開(kāi)展了流場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)NPLS測(cè)量，比較了不同馬赫數(shù)對(duì)流場(chǎng)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)及時(shí)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(wú)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(cè)量了對(duì)馬赫數(shù)3.4及3.0條件下波長(zhǎng)532nm光波穿過(guò)頭罩窗口上方流場(chǎng)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(duì)OPD的

5、影響，并給出了微秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)OPD的抖動(dòng)影響，對(duì)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(shí)OPDrms較小，馬赫數(shù)增大，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化引起的光學(xué)抖動(dòng)效應(yīng)增大。
　　采用NPLS技術(shù)，對(duì)馬赫數(shù)3.4來(lái)流中對(duì)有無(wú)60目砂紙粗糙帶擾動(dòng)、帶切向超聲速?lài)娏鞯亩S后臺(tái)階模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了不同來(lái)流條件下的流動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)，研究了湍流結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化特性，給出了湍流運(yùn)動(dòng)變形的時(shí)間特征尺度及其形成

6、周期。基于NPLS結(jié)果，對(duì)有無(wú)粗糙帶擾動(dòng)時(shí)無(wú)噴流后臺(tái)階下游流場(chǎng)不同尺度結(jié)構(gòu)的初始形成點(diǎn)(IFPs)分布范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，揭示了超聲速后臺(tái)階流場(chǎng)大尺度結(jié)構(gòu)的分布特性。有粗糙帶影響時(shí)，后臺(tái)階下游流場(chǎng)結(jié)構(gòu)迅速增長(zhǎng)，不同高度結(jié)構(gòu)的分布更為集中，范圍收窄。采用計(jì)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(wú)噴流二維后臺(tái)階流場(chǎng)整體分形維數(shù)高于有噴流情況，有粗糙帶擾動(dòng)流場(chǎng)分形維數(shù)則高于無(wú)擾動(dòng)情況；分形維數(shù)沿流向呈逐漸增大趨勢(shì)，且無(wú)粗糙帶情況

7、的無(wú)噴流后臺(tái)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(dòng)時(shí)，有噴流后臺(tái)階流動(dòng)轉(zhuǎn)捩較快，分形維數(shù)在很短距離內(nèi)增大，且拐點(diǎn)較無(wú)粗糙帶擾動(dòng)情況出現(xiàn)較早。對(duì)后臺(tái)階流場(chǎng)湍流間歇因子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)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(duì)不同的激光光強(qiáng)分布，對(duì)流場(chǎng)圖像進(jìn)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(shí)刻x=15h-

8、35h流場(chǎng)區(qū)域的OPD分布。無(wú)噴流時(shí)該區(qū)域內(nèi)OPD曲線逐漸降低，有噴流時(shí)該區(qū)域內(nèi)OPD曲線向下游逐漸增大；有粗糙帶擾動(dòng)時(shí)OPD整體較無(wú)粗糙帶擾動(dòng)情況較小；5μs時(shí)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(tái)階高度分別為3mm、5mm、10mm，在馬赫數(shù)3.4來(lái)流中，對(duì)臺(tái)階上游流動(dòng)分為無(wú)控制、36目砂紙粗糙帶擾動(dòng)、微渦流發(fā)生器(Micro-vortex generator, MVG)擾動(dòng)三種狀態(tài)的二維后臺(tái)階流動(dòng)開(kāi)展了試

9、驗(yàn)并測(cè)量了模型表面靜壓分布。基于NPLS技術(shù)獲取大量瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高時(shí)空分辨率圖像，揭示了不同條件下的超聲速后臺(tái)階流動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)，分析了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)間演化規(guī)律及其平均結(jié)果。對(duì)后臺(tái)階流場(chǎng)的分形維數(shù)、湍流間歇因子及空間相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，由湍流間歇因子分布曲線對(duì)不同來(lái)流擾動(dòng)條件及不同臺(tái)階高度后臺(tái)階流場(chǎng)不同位置處湍流界面高度及其湍流破碎程度進(jìn)行了比較討論?；贐OS-WS技術(shù)研究了超聲速后臺(tái)階側(cè)向流場(chǎng)對(duì)光線傳輸?shù)挠绊?，給出了光線偏移量及其OPD