蒸汽屏显示技术

水蒸汽凝结要引起试验段当地马赫数和其他气流特性发生委化，会使测 得的数据出现错误。由于流场受凝结过程释放出来削热量影响，其马赫 数和静压变化按下列关系式求出：
这些方程表明，在超声速下随着凝结的发生马赫数将减小，而 压力增大；反之，在亚声速下情况刚好相反。应当注意，如果仅有 水蒸汽存在而不出现凝结，则对由等熵关系式决定的温度比、压力 比以及马赫数等没有多大影响。当出现凝结时，释放的热量使参数 变化，在凝结处上、下游的总温和马赫数可简单地直接用下式表示：
实验装置
Equipments
风洞运行条件也会有一些限制。蒸汽屏技术基本装置 从图2—1中可以看到，其引水／喷雾系统，是从风洞外的 水源引入管道中，以保证在试验段生成均匀雾场。高强度 光源安放在试验段外适当位置(最好是在模型背风面方位)， 投射一垂直于风洞气流的片光。照相机可位于风洞外或试 验段内，从不同的视角摄取蒸汽屏流动图像。试验模型表 面和试验段侧壁喷涂浅黑漆，以降低来自照明的炫光，并 且应在模型照相位置记上参考标志。试验前，安放好记录 装置，在光屏轴向位置设目标以调节焦距。 下面介绍其基本实验装置。
蒸汽屏显示技术
小组成员
产生背景
基本原理 实验装置
技术要求
应用举例
Background
产生背景
当机场跑道附近有大量烟雾时，如果我们沿飞机 的飞行方向观察，可以看到绕机翼流动的旋涡图像。 设想在超音速风洞中利用湿空气运行，由于空气通过 超音速喷管膨胀，使实验段气流的静温变得很低，结 果在气流中所含的水蒸气会冷凝而形成雾。这样在实 验段形成具有一定浓度的雾气流。如果将模型放入实 验段，并采用激光片光源照明，由于雾滴对光线的散 射作用，就可以在激光片光源的光屏上看到绕流中的 尾流、旋涡等现象的截面流动图画，称这样的流动显 示技术的蒸汽屏法。
Exampleຫໍສະໝຸດ 应用举例蒸汽屏照片提供的信息，虽然是定性的，但它可用来分析 复杂流场重要特性。实验表明，有三种典型的现象可由蒸汽屏 技术确定。第一种类型是流场中由于通过激波密度发生变化， 因此，引起雾密度类似的变化，从而可明显地确定激波位置和 形状。第二种是由边界层分离引起的尾迹、涡面和涡核。因为 在流动分离过程中，粒子不能穿过剪切流线进入尾迹。缺乏散 射粒子，涡面和涡核呈黑色或透明状，因此可识别旋涡位置和 形态。第三种现象是在有大的温度梯度流动区域，显著的凝结 (或冰晶)相变成透明的气态(蒸汽)。 蒸汽屏照片经常展示出的 是前两种流动现象，即各种强度的激波形状及流动分离形成的 涡面和涡核(可以透明状或黑洞状出现）
Principles
基本原理
蒸汽屏流动显示技术已成功地用在高速流中显示飞 行器的涡结构。该技术原理十分简单。当在风洞内用一 定温度的潮湿空气运转时，气流经喷管膨胀降温，湿气 在试验段形成均匀的雾。这时，用一薄片光投射到试验 段横截面上，若在光屏平面上流动无扰动，则出现一幅 色度均匀的屏幕。然而，当有模型时，由于其产生扰动， 则引起雾分布的均匀性发生变化，它以散射光强弱为特 征显示在光屏上，从而产生相应的流动图像。在流场中 与光平面相交的旋涡以“黑点”形式出现(见图2-1)，激波 则呈现出较亮的边界。
图2-1 蒸汽屏原理和基本装置示意图
蒸汽屏建成，需要有适当的均匀潮湿空气在风洞中运 转。流场中形成的散射粒子要有一定的大小，能够产生足 够的横截面，并有均匀的数密度和良好的跟随性。蒸汽屏 流动显示技术开始用于连续式回流高速风洞中。通常在风 洞中静压低于大气压的扩散段壁上开孔注水，这样只要操 作合，经过循环运行后，气流便可维持蒸汽屏所需要的均 匀湿度。在暂冲式半回流风洞中，虽然建立蒸汽屏存在一 定的困难，它不能像连续式回流风洞那样，引水进入风洞 随气流循环一段时间便可在试验段产生均匀的雾场。
露点是水蒸气开始凝结的湿度，并且在相对 湿度达到1时发生。
4-1 产生凝结（露点）需要的水量
2、水蒸气凝结对流场的影响 所谓潮湿空气是指干燥空气和水蒸汽的混合物。当在超声速喷管中从滞 止压力、温度和一定的相对湿度膨胀到下游某一截面上相应的马赫数下的 数值时，除边界层外，状态变化通常可认为是等熵的。在等熵膨胀过程中， 水汽迅速达到饱和压力，因为凝结几乎完全取决于凝结胚的形成率，喷管 中水汽不能马上在它的饱和点凝结，温度要进一步下降到“临界过冷”(主 要跟流场温度梯度雨湿度有关)。由于过冷度达到一定程度，凝结胚形成率 迅速增大水汽突然凝结成液态或固态，各自向周围流体中释放蒸发或升鲜 热量；引起状态参数和马赫数几乎发生不连续变化，产生“凝结德波”。 在亚声速情况下，凝结胚形成率很小，凝结过程通常要比超声速慢。 这时，固体微粒(外界凝结核)对凝结影响很大，过饱和度达四倍以上才有可 能开始凝结。其产生膨胀扰动，在气体中传播时形式不变。
图3-1 FD-06风洞喷雾系统
光源系统
为了能产生清晰的蒸汽屏图像，一般功率大得光源获得的照片质 量好些，但经济性和安全性差，操作也麻烦些。使用水银灯作光 源的装置如图3—2所示
3-2 水银灯，空气冷却室
照相设备
蒸汽屏图像记录方式，根据需要和条件采用不同的照相或摄像 设备，可采取间歇式或连续式，洞内或洞外，摇控或手控等方 法记录图像。当然，这些方法各有优缺点，因此，要组合使用， 同时用几种方式来满足显示记录要求。毫无疑问，记录系统小 型化、能自动进片和开关快门，并能在风洞运行环境中正常工 作为最佳。应该注意到，风洞内照相要避免镜头有水汽凝结现 象发生。这可采取一些防水措施，以免影响照片质量。也有通 过潜望镜在洞外监视的，这不但容易控制，而且可以摄取到难 以接近的方位图像，是一种比较方便的方式。
图4-3 蒸气屏露点随马赫数变化
由于空气中水蒸汽的凝结是分子碰撞、聚合，最后形成水滴的结果， 在超声速风洞中，当过冷度小于12T时凝结的可能性很小。 水蒸气凝结明显地影响试验段自由流条件。这就产生了蒸汽屏显示时 获得的结果跟其他数据(如在干燥气流条件下测量的力和力矩)比较的有效 性问题。 在超声速时，随着“凝结激波”的产生会使马赫数下降和总压损失。 这些效应，如马赫数为2．0时，估计总压下降5％，马赫数下降0．05， 静压增加约4％。这些误差不至于影响对蒸汽屏照片的解释。然而，风洞 在干燥气流条件下运行获得的法向力，跟蒸汽屏显示同时测得的法向力比 较，变化约5％。因此，在超声速流中蒸汽屏试验时，难以测得有效的力 和力矩，应在干燥气流条件下重做试验。 在跨声速马赫数下，一个飞机模型在风洞分别为干燥和潮湿气流运行 条件下，进行了大迎角压力分布测量和蒸汽屏显示试验。比较结果表明， 湿度影响可忽略不计。说明了跨声速模型试验可同时进行流动显示和测量。
图5—1是一幅x形鸭翼一弹身组合体在马赫数为3时的蒸汽屏照片。可 以看到背风面除出现小尺度涡点外，在弹体脱体涡两侧还有横流激波。 该激波在涡面附近最强，向流场内强度趋于零。这种流动图像用欧拉 解已计算出，但在超声速流中，还只能用蒸汽屏照片来证实其存在的 形状和位置。
5-1 弹体脱体涡-横流激波蒸汽屏照片
蒸汽屏流动显示技术作为高速流场一个有效的诊断手 段，已有40多年的历史。由于该技术在复杂流场研究 中(如大迎角导弹或高性能飞机涡迹和背风面流型等) 特别有用，使其仍然保持不断发展势头。从光学观点 看，蒸气屏是基于经典的米(G．Mie)散射理论。需要 说明一下，由于蒸汽是一种特定的散射粒子(其他介质 也能产生类似的效果)，形成的雾或凝结场的照明片光 屏是可视的。
但是，通过预先雾化水的方法，连续地给风洞提供 足够的数密度均匀的小水滴，便可弥补暂冲式风洞生成 均匀雾场水量在时空上的不足。20世纪80年代初采取这 种办法已获成功。蒸汽屏流动显示技术不限于在超声速 风洞中使用，在跨声速范围，甚至冷冻风洞也是可行的。 只要能够生成足够的均匀雾场，则不难获得清晰的蒸汽 屏照片。总之，要用蒸汽屏技术摄取到高分辨率的照片， 光强、凝结、照像和研究方式应当互相配合。因此，可 以认为蒸汽屏流动显示方法是技术和艺术的结合。
引水喷雾系统
在连续式回流风洞中，注水比较简单。只要将水箱放在扩散段上 方，用水管连接到扩散段壁上通过阀门控制水量．便可将水引进 风洞随气流循环，直到稳压室内气流达到一定的温度。这可通过 露点仪检测。在暂冲式半回流风洞中，为了弥补气流循环雾化水 量不足的缺陷，可将水预雾化。这时需要增加喷雾装置(图3—1)。 该系统是由多个喷嘴、管路、水／气箱、电磁阀和调压阀组成。 喷嘴分布在风洞稳压室前回流道最大截面处，便于水滴与主气流 混合雾化均匀。潮湿的气流经蜂窝器／整流网进入稳压室，通过 安装在稳压室中的取样器，由露点仪进行监控。水流量由调压阀 控制或增、减喷嘴个数确定。
下标1和2分别指凝结处上、下游的总温、马赫数和静压。总温升△孔对马赫数和压力影 响表示在图4—2上。
4-2 总温对（a）马赫数和（b）压力的影响
在压、超音速范围内凝结定性的影响是不同的，并且在近声速时干扰影响特别大。由 此看出，除必要的总温差外，还取决于可靠的估计过冷温度。 在超声速喷管中的空气温度可以降到非常低的程度。一般试验段的静温会远低于通常 大气的露点，同时要求更大的过冷度。因此，在风洞中的凝结温度低于露点，并且随马 赫数变化。图4—3给出了实验结果。
skills requirement
技术要求
1.在气流中形成最佳雾浓度的条件
气流中形成“最佳”雾浓度条件，以在风洞各试验马赫数下获 得清晰蒸汽屏照片为准则。蒸汽屏的生成，以潮湿气流产生散射 粒子为前提。在不同马赫数下，因湿度和过冷度等不同，影响散射 粒子形成，亦即雾浓度的大小。实验表明，清晰的蒸汽屏是在合适 的湿度范围内获得的，雾浓度稍大的湿度约大于稍小湿度30％。 为获得形成最佳雾浓度条件，经验公式可计算连续式风洞中不同马 赫数下需要的水量，即
模型尾支撑装置
模型尾支撑装置在试验中除能改变迎角外，还允许模型作纵向 移动或绕纵轴滚转。这样在风洞运行中模型可在变迎角下相对 于蒸汽屏纵向运动到各个位置，或者滚转。因此，能得到沿整 个模型长度或在不同滚转角下流动图像变化形态，并记录流型 全貌，而不必改变相机相对片光的位置，在FD一06风洞中采用 了这种装置。