带喷流的超声速光学头罩流动显示

朱杨柱 易仕和 田立丰 陈 植

(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)

成像制导导弹在大气中作超声速飞行时，速度越高，其光学头罩受到的气动加热越严重.这不仅给光学头罩结构材料的强度与刚度带来不利影响，还会引起一系列的气动光学效应，降低目标分辨率，增大导弹的瞄视误差，因此必须对光学头罩的窗口进行冷却［1］.在窗口上表面射入冷却喷流，形成气膜以将外部热气流与窗口隔开，是光学窗口的冷却方式之一.引入喷流后，超声速光学头罩流场结构势必变得更为复杂，流场中同时出现激波、层流边界层、湍流边界层、超超混合层等复杂结构，造成更为严重的气动光学效应.为揭示有无喷流的超声速光学头罩流场引起的气动光学效应机理，获得其流场精细结构就十分必要.传统的流动显示方法如纹影方法［2］，存在时间分辨率和空间分辨率较低的缺点，且具有积分效应;干涉方法［2］，则成本太高并且易受外界环境干扰的影响;激光诱导荧光(LIF，Laser Induced Fluorescent)方法［3］是20世纪80年代发展起来的一种非接触式流动测试方法，可以用于高速流动和大速度梯度的流场测试，但是存在信噪比较低的问题.这些方法难以满足精确测量和分析流场精细结构的要求;故而本文选择具有高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS，Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术.

NPLS技术，是近年来发展的一种新型流动显示技术，可实现空间尺度微米到米量级、时间尺度纳秒量级、时间相关尺度微秒到秒量级的流动显示与测量.NPLS技术发展至今，已成功应用于超声速混合层［4］、超声速绕流［5］、超声速射流等多种超声速流场的流动显示实验研究，能够清晰地再现超声速流场中激波、膨胀波、混合层、马赫盘、滑移线和尾迹等流场精细结构［6-7］.

1 实验装置及实验条件

1.1 超声速风洞及实验模型

本实验在KD-03超声速风洞中进行，其示意图如图1所示.该风洞是一座吸气式直连风洞，风洞下游与真空罐相连，气源为经过干燥除尘的大气，实验段马赫数为3.8，截面尺寸为100 mm×120 mm，四周镶嵌光学玻璃，便于观测.

图1 KD-03超声速风洞

图2所示为本实验所用的模型示意图.模型是一个半球锥体，在头部按照喷管型面设计方法设计一个小喷管，能够紧贴窗口上表面喷入均匀超声速气流，喷流流动方向与窗口上表面平行，喷管出口高度为3mm.喷流气源为风洞稳定段气体，通过设计的总压调节器可以调节喷流出口静压，喷流总压最高为0.1 MPa.

图2 模型示意图

1.2 NPLS系统简介

图3为NPLS系统的示意图.该系统包括计算机、CCD相机、纳米粒子发生器、同步控制器和Nd:YAG双腔脉冲激光器.系统选用的示踪粒子为跟随性良好的纳米级粒径粒子.激光器脉冲时间为6ns，脉冲能量为350mJ，波长为532 nm［8］，激光经透镜组形成片光，片光厚度最小可达0.5 mm［9］.实验采用行间传输的双曝光 CCD，双曝光时间间隔最小为0.2 μs，分辨率为2 048像素×2048像素，灰度级达4096.CCD和片光光源由同步控制器控制，两次脉冲片光照射下的流场中粒子的光散射信号分别记录在CCD的两次曝光时间内，得到时间相关的两幅 NPLS图像［5，10］.

图3 NPLS系统示意图

2 流动显示实验研究

本文对带喷流的超声速光学头罩对称面内流场进行了流动显示实验研究，为便于比较分析，设计了3种实验状态，即无喷流、喷流出口压力大于外流压力、喷流出口压力与外流压力匹配.3种实验状态分别完成于不同的实验车次，各状态下来流参数一致，马赫数 Ma∞=3.8，总压 P0=0.1 MPa，总温T0=300 K，喷流马赫数Maj=2.5.实验中激光片光与模型对称面重合，CCD记录模型对称面上的纳米粒子瑞利散射信号，获得的流场NPLS图像分辨率为94 μm/像素.

2.1 无喷流状态流动显示

无喷流状态的流场NPLS图像如图4所示，两幅图时间间隔为5 μs.观察发现，由于喷管出口的后台阶［11］影响，在无喷流的情况下，头部弓形激波后的绕流在台阶处膨胀，产生一系列膨胀波，流动经过台阶后在光学窗口上再附，从而产生一道再附激波.图中还可以清晰地看到边界层由层流转捩为湍流的情景.此种状态光学窗口上方层流区域较长，对气动光学性能影响不大［12］.

2.2 喷流出口压力大于外流压力状态流动显示

图4 无喷流时的NPLS图像

调节喷流总压，使喷流出口压力达到最大值，观察流场NPLS图像，发现在喷流出口处产生一道激波，故可肯定此时喷流出口压力大于外部绕流压力.将喷流总压调节到最大即0.1 MPa，此时喷流出口压力Pj=5853 Pa，大于弓形激波后绕流压力2926 Pa.此种状态下，实验获得的流场NPLS图像如图5所示，两幅图时间间隔为5 μs.外部绕流喷流出口上方产生一道激波，喷流形成气膜将外部气流与窗口隔开，起到对窗口的冷却作用.喷流与外部流场之间产生混合层，可以清楚地看到涡结构，由涡卷起的方向初步判断喷流速度小于外部绕流速度［13］.激波2之后，模型外部绕流压力增加，而喷流则由于混合层及窗口壁面边界层的作用，其能量逐渐耗散衰减，压力降低，故而又出现一系列膨胀波，之后有道大涡诱导的激波，最后在流场下游完全发展成湍流边界层.总的来说，喷流能够覆盖住光学窗口，起到冷却保护窗口的作用［14］，但窗口上方层流区域较无喷流情况很短，流场结构在此状态下变得更为复杂，气动光学性能将更加恶化.

2.3 喷流出口与外流压力匹配状态流动显示

降低喷流总压至0.05 MPa，此时喷流出口压力Pj=2 926 Pa，与模型弓形激波后绕流压力匹配.在该情况下获得的流场NPLS图像如图6所示，两幅图时间间隔为5 μs.可以发现，喷流相对图5所示较薄，同样形成气膜覆盖住光学窗口，亦起到冷却窗口的作用;但这种状态下的完全喷流长度明显小于图5中所示，混合层较短，喷流受到窗口表面和外部绕流影响，迅速衰减并发展成为湍流边界层;另外，压力匹配状态下喷流与外流混合层的转捩过程相对图5更为明显，能够精确捕捉到不稳定涡结构并观察到其时间演化特性，相对于喷流出口压力大于外流状态较有利于进行气动光学校正.

图5 喷流出口压力大于外流压力时的NPLS图像

以上3种状态下的流场NPLS图像图4～图6中两幅图像的时间间隔均为5 μs，对应的空间位置相同.上图中椭圆框是某时刻某涡的位置，下图中对应的椭圆框是5 μs后该涡的位置.从3种状态的流场NPLS图像中均可以看出，5 μs时间内涡向下游水平位移了3mm距离，但涡的自身形状并没有很大变化.

图6 喷流出口与外流压力匹配时的NPLS图像

3 结论

本文利用NPLS技术对带冷却喷流的超声速光学头罩对称面内流场进行了流动显示实验研究.对比研究发现:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态，对气动光学性能的影响较小，但窗口不能冷却;有喷流时，初步判断喷流可形成较薄的一层气膜覆盖住光学窗口，将外部高温气流与光学窗口隔开，从而起到对窗口冷却的作用，但此时剪切层的层流区域较短，逐渐转捩至湍流状态，对气动光学性能的影响较大;喷流出口压力高于外界压力情况下的剪切层转捩位置比压力匹配情况下较为靠前，光学窗口上方的涡结构也较为复杂，比较而言，后者对气动光学性能的影响更大.高分辨率的流场NPLS图像清晰再现了各种状态下的流场波系结构、剪切层、边界层、混合层、尾流等精细结构，为进一步的带喷流气动光学研究积累了丰富经验;对时间相关的流场NPLS图像分析，可以精确测定边界层及混合层内各种拟序结构的几何特性和时间演化特性.

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