高超声速流场粒子图像测速技术试验研究-中国力学学会

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第八届全国流体力学学术会议 2014年9月18～21日 甘肃兰州

文章编号：CSTAM 2014-A26-B S08025

标题：超声速风洞尖锥模型粒子图像测速技术

研究

作者：张璞，黄湛，王宏伟，段俐，康琦

单位：中国科学院力学研究所微重力实验室

中国航天空气动力技术研究院

第八届全国流体力学学术会议

2014年9月18-21日甘肃兰州 CSTAM2014-B01-0226

超声速风洞尖锥模型粒子图像测速技术研究

张璞1，黄湛2，王宏伟2，段俐1，康琦 1

1（中国科学院力学研究所微重力室，北京 100190）

2（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

摘要：在马赫数5(Ma5)的超声速风洞中，进行了尖锥模型的粒子图像测速技术（PIV）实验，采

用纳米示踪粒子及专门的粒子播发器，获得了三个攻角（0°、5°、10°）尖锥模型表面的粒子图

像；经过高精度粒子图像数据处理，得到相应三个攻角的模型表面速度场分布，并观察到斜激波和

膨胀波的波系结构。实验表明，示踪粒子能够均匀撒布于超声速流场中并具有良好的跟随性，满足

了超声速流场PIV测试要求；实验结果反映了超声速条件下模型表面的流场特性。

关键词：超声速,PIV,尖锥模型,风洞实验

引言

高速飞行器的气动布局问题是其设计的关键问题之一，通常情况下，需要进行高速风洞实验来预测其气动特性。飞行器表面的速度分布体现了流场的动力学特性，主导着流场结构的变化，因此速度场分布是风洞试验测量的重要物理量。

粒子图像测速技术（PIV）是20世纪80年代发展起来的一种新的流场测试技术，它突破了单点测量的局限，能够在不干扰流场的情况下，实现全场的瞬态测量，得到瞬时和平均的速度场定量分布，并且可进一步得到涡量场等物理量。随着激光器、CCD以及图像处理技术的发展，PIV测量流场的时间分辨率、空间分辨率和测速范围都得到了提高[1-6]。

在超声速流场中进行PIV测试，是目前国内外的研究热点。国内已经开展了一些超声速流场PIV测试实验研究,例如：魏润杰和申功炘等[7-8]用PIV成功进行多种流体力学实验，如马赫数1.5（Ma1.5）的超音速喷流等；黄湛和王宏伟等[9]在1.2m量级亚跨超声速风洞对某机头模型进行了DPIV高速选型实验；田立丰，易仕和等[10]在马赫数为3.8的超音速风洞中，进行了超声速光学头罩流场的PIV研究，得到了光学头罩的速度场分布。

超声速及高超声速流场由于具有速度高、可压缩性强以及结构复杂的特点，应用PIV技术进行流场测试，需要解决几个重点问题[11]：1）示踪粒子的合理选择及撒布技术。超声速流场中结构复杂，尤其是当粒子跨激波时产生很大的速度梯度，为了保持示踪粒子的良好跟随性，需要选择粒径很小的球状粒子；小粒径的粒子散射光强较弱，为满足光散射信噪比要求，就需要提高激光能量。因此，需要合理选择示踪粒子，满足光散射信噪比和超声速条件下穿越激波的跟随性的双重要求。同时撒布装置要保证粒子能均匀布撒在流场中，尽量避免粒子的团聚，保证示踪粒子的粒径尺寸和均匀性。

2）同步控制技术。由于Ma5风洞实验速度很高，要求PIV测速时两次曝光的时间间隔∆t 非常短，需要精确控制激光器和CCD的同步工作。

3）速度场数据处理算法。示踪粒子跨激波不仅产生很大的速度梯度，而且由于可压缩性会造成粒子浓度差，从而对粒子图像处理造成困难。由于图像数据处理采用互相关算法，必须保证查问窗中有足够的粒子数，而由于时间间隔∆t很短，速度快，粒子驻留时间短，必须采用合理的算法提高计算精度和空间分辨率。

实验采用了高精度的同步控制器、高能量脉冲激光器，选择纳米示踪粒子和配备破裂结构的粒子撒布装置，通过高精度粒子图像数据

处理算法，成功进行了马赫数5(Ma5)的风洞PIV实验研究，获得了三个攻角尖锥模型表面的速度场分布。

⏹ 1 实验设备和模型

1.1 实验风洞

实验在FD-03高超风洞上进行，采用马赫数5(Ma5)的喷管，其出口截面为方形（170×170mm2），试验区校测马赫数Ma为4.98，标准偏差σMa为0.020。试验段上部有圆形光学观察窗，两侧开有矩形光学观察窗。

1.2 实验缩比模型

为使超声速飞行器实验模型尽可能具有实际意义，根据文献调研到的一种美国的先进动能导弹：紧凑型动能导弹CKEM (Compact Kinetic Energy Missile)进行了实验缩比模型的设计。动能导弹是一种采取直接碰撞方式，依靠巨大动能毁伤目标的导弹，具有高速度特性，如CKEM的马赫数达到6。鉴于高速度要求，缩比模型的气动外形设计力求最小阻力特性并且满足风洞试验条件，缩比模型设计为大长径比矩形翼的尖锥型，其中的几个重要参数为：模型长为210mm，直径为18mm，弹身长径比(λb)为11.67，头部长细比(λn)为2.5，展弦比(λw)为 1.2，根梢比(ηw)为4，相对厚度(c)为 1/12。图1是尖锥模型设计图。

图1 实验缩比模型

1.3 PIV系统

PIV系统包括图像采集、激光光源、同步控制和图像处理等子系统，如图2所示。图像采集系统主要由跨帧数字CCD、图像采集板和计算机组成，CCD相机分辨率为2048×2048；选用YAG双曝光激光器作为照明光源，采用调Q技术，脉冲能量350mJ，工作频率1~10Hz，在很短的时间间隔∆t内发出两束脉冲宽度6ns 的激光，经过激光器出光孔处的导光臂，集成片光光源；采用一种高精度延时信号发生器作为同步控制器，延时精度0.25ns，通过计算机软件控制，保证高精度同步控制激光器和CCD 工作；图像处理系统采用基于互相关原理处理粒子图像数据的算法。

图2 PIV系统

1.4 粒子撒布系统

由于在马赫数5(Ma5)的情况下试验段静温极低，采用油雾示踪粒子会出现冷凝的现象，综合考虑示踪粒子光散射信噪比和超声速条件下示踪粒子穿越激波的跟随性，实验采用粒径为60nm 的TiO2小球为示踪粒子。

实验采用改进的示踪粒子撒布系统，通过在喷管进气管道上焊接三个粒子播发接头，用高压气将示踪粒子注入主气流中充分掺混。在粒子发生器的示踪粒子输出口上安装破裂装置，依靠强剪切作用来防止示踪粒子团聚。示踪粒子发生器和播发接头如图3所示。实验表明改进的示踪粒子撒布系统，可以保证示踪粒子均匀撒布于超声速流场，能够满足马赫数5(Ma5)的超声速PIV测速要求。

图3 示踪粒子发生器和播发接头

⏹ 2 实验布置和过程

2.1 实验工况