高溫復(fù)雜流場(chǎng)光學(xué)特性及其診斷研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代航空、航天、火箭和導(dǎo)彈等技術(shù)的飛速發(fā)展,迫切需要將復(fù)雜流場(chǎng)的全場(chǎng)顯示和關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試技術(shù)由低溫應(yīng)用拓展到高溫區(qū)域。光學(xué)計(jì)算層析技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、非接觸的光學(xué)測(cè)量方法,在高溫復(fù)雜流場(chǎng)的全場(chǎng)顯示和關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量、診斷方面,仍然有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。遺憾的是,到目前為止,沒有適合高溫復(fù)雜流場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)的光學(xué)計(jì)算層析診斷理論,這是由于缺乏對(duì)此類流場(chǎng)光學(xué)特性的研究。針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文圍繞高溫復(fù)雜流場(chǎng)的光學(xué)特性和層析診斷理論展開相關(guān)研究,建立

2、起一套適合此類流場(chǎng)光學(xué)層析診斷的理論模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),可望為能夠較好地解決此類流場(chǎng)的顯示和關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量、診斷提供有價(jià)值的參考。主要工作如下：
　　 ⑴針對(duì)高溫復(fù)雜流場(chǎng)中帶電粒子等多種成分對(duì)其光學(xué)特性的影響,修正了長(zhǎng)期用于普通氣體流場(chǎng)的G-D公式;提出等效粒子數(shù)密度的概念,為普通氣體流場(chǎng)和高溫復(fù)雜流場(chǎng)建立起統(tǒng)一的折射率描述模型。通過比較燃燒火焰和氬弧等離子體兩類流場(chǎng)的莫爾條紋偏移量,闡明了決定高溫復(fù)雜流場(chǎng)折射率梯度的主要因素;

3、在此基礎(chǔ)上,對(duì)莫爾偏折層析技術(shù)用于典型高溫復(fù)雜流場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)診斷的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。
　　 ⑵通過建立燃燒火焰、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰和氬弧等離子體三類典型高溫復(fù)雜流場(chǎng)的色散本領(lǐng)與其成分、溫度和壓強(qiáng)以及探測(cè)波長(zhǎng)之間的關(guān)系,詳細(xì)研究了它們的色散特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),燃燒火焰和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的色散本領(lǐng)隨溫度升高而減小;而氬弧等離子體的色散本領(lǐng)隨溫度變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),1atm下,最大色散本領(lǐng)總在17000K。此外,討論了三類典型高溫復(fù)雜流

4、場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)的光學(xué)計(jì)算層析方法的選擇問題。
　　 ⑶從復(fù)介電常數(shù)出發(fā),以電弧等離子體為例,給出了其在可見光和紅外波段三個(gè)大氣窗口內(nèi)的吸收系數(shù),研究了其吸收特性。比較發(fā)現(xiàn),吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)比其在紅外波段三個(gè)大氣窗口內(nèi)小1-2個(gè)數(shù)量級(jí);給定波長(zhǎng)時(shí),吸收系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化是近似線性的,但卻是溫度的非線性函數(shù),基于這個(gè)非線性關(guān)系,指出了決定高溫復(fù)雜流場(chǎng)出現(xiàn)最大吸收本領(lǐng)的物理本質(zhì)。研究結(jié)果將為此類流場(chǎng)光學(xué)診斷波長(zhǎng)的選擇提供參考,也為分析

5、光通信技術(shù)在再入過程中進(jìn)行應(yīng)用的可行性提供有價(jià)值的參考。
　　 ⑷選取莫爾偏折層析技術(shù)對(duì)燃燒火焰和氬弧等離子體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和診斷,給出了其折射率分布。在系統(tǒng)分析了燃燒火焰成分分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,基于相位分布提出了溫度分區(qū)重建的理論與方法;通過與現(xiàn)有成分假設(shè)模型下的溫度重建結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn),考慮具體成分及分布,使得重建出的溫度分布更合理、更符合實(shí)際?；跉寤〉入x子體溫度重建模型的深入推導(dǎo)并考慮到實(shí)際條件下壓強(qiáng)存在一定空間分布,對(duì)