冲击射流的彩虹纹影实验研究

2014-03-29吴文堂洪延姬叶继飞蒋冠雷

实验流体力学 2014年2期

吴文堂, 洪延姬, 叶继飞, 蒋冠雷

(1. 装备学院激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416; 2. 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094)

0 引言

超声速冲击射流是航空航天技术领域遇到的普遍问题。由于冲击射流的流场结构非常复杂，包含超声速与亚声速流动，有激波和涡之间的相互作用，也有激波与激波以及激波与剪切层的相互作用。因此，无论是工程应用还是基础研究，冲击射流都极具研究价值。

国外学者在这一问题上的研究较多，而且比较系统深入。早期的研究者利用纹影技术和表面压力测量技术，研究冲击射流的结构和流动特性，研究表明碰撞区域能否产生滞止泡(Stagnation Bubble)取决于来流条件。一般认为在冲击射流初始阶段，高压气体在喷管唇部迅速膨胀，形成了类似球状的不断向外扩张的起始冲击波，冲击波遇到射流边界以后，形成一道入射激波。此外，起始冲击波遇到平板后发生反射，形成曲面激波，该激波与平板相互作用后发生马赫反射，在曲面激波后面形成了局部高温高压区；随着时间的进一步发展，射流激波遇到马赫盘后发生反射，形成反射激波，同时有三角波交点出现，马赫盘向前突起，直径变大；最后整个流场结构趋于稳定。在实验研究方面，Thomas等[1-2]、 Mitchell等[3-4]以及Elavarasan等[5-6]分别采用阴影法、纹影法和PIV流场测量方法，对冲击射流的结构特性进行了研究。国内研究者徐惊雷[8]、姚朝晖[9]等利用PIV方法对冲击射流的流场结构和涡结构进行了深入研究。总体来看，国内外对于冲击射流的研究比较系统，据查阅的文献资料来看，彩虹纹影技术用于冲击射流的实验研究相关工作，鲜有涉及。

利用彩虹纹影测量系统，对高速冲击射流的流场结构和涡结构进行深入研究，提升对这一类流场结构的感观认知。

1 测量装置

本研究采用彩虹纹影系统对冲击射流进行实验研究，彩虹纹影是一种新型的纹影技术，其主要特点是获得流场信息量大、非入侵定量测量精度高、成本低，是近年来国内外研究者在流动测量技术中的研究热点[9-13]。图1为所使用的彩虹纹影测量系统示意图。该系统组成部分包括：A为氙灯光源及透镜光阑组；B为冷喷射流及控制系统；C为直径为150mm纹影镜组；D为直径为150mm平面反射镜；E为彩虹滤光片和成像系统。

实验中使用的彩虹滤光片制作过程包括两步：第一步是利用Matlab软件设计好所需的滤光片样式；第二步是使用胶卷相机将所设计的滤光片拍摄到胶卷底片上，然后冲洗出来。胶卷为富士Chrome Velvia RVP 50°反转片，反转片的特性在于胶卷底片冲洗出来以后，底片上的颜色为实际景物的颜色，胶卷的ISO度数值越低，颗粒越细腻，生成的滤光片灵敏度越高，但需要的曝光时间越长。彩虹滤光片的厚度不能太大，厚度太大会使实验结果颜色失真，同时也会影响实验系统的灵敏度。本实验中的胶卷底片厚度为0.127mm，这个厚度对其所带出的颜色的影响是可以忽略的。对于一面1500mm焦距，直径150mm的反射镜而言，当滤光片的宽度为最大值24mm时，按其最小和最大可能的偏折角计算，滤光片厚度对其色度产生的影响为(见图2)：

图1 实验测量系统示意图

(1)

图2 滤光片厚度对测量的影响

显然，由于该值小于理论上每个像素的大小0.025mm，可以认为滤光片的厚度对其色度产生的影响是可以忽略的。图3是安装在测量系统中的彩色滤光片实物图。在彩色滤光片的安装过程中，必须保持彩色滤光片的平整，同时保证彩色滤光片的主要色度变化区与狭缝光源的成像平行。

图3 安装在测量系统中的彩色滤光片实物图

2 实验结果及讨论

利用彩虹纹影测量系统对喷嘴直径Φ=6mm的冲击射流进行了大量的实验研究。获得不同时刻的冲击射流的彩虹纹影图像，可以观察到冲击射流的较多有趣的特性。

图4是相同压比η=19.8的条件下，冲击射流与自由射流的彩虹纹影局部图像。冲击射流一般分成三个区域：初始射流区、碰撞区和径向壁面射流区，如图4(a)所示，这三个区域都比较明显。在相同压比条件下，冲击射流产生的马赫盘比自由射流产生的马赫盘大很多。显然，在冲击射流中，喷管出口处的来流流向速度是超声速的，而且还存在膨胀波，周围的来流处在加速阶段，而在碰撞的壁面附近气流流向速度为零，来流必须在一个较短距离内完成这种突然间的变化，因而形成了宽度较大的马赫盘。自由射流不存在这种突然间的变化，因而可以缓慢过渡，形成的马赫盘较小。

(a) Impinging jet (b) Free jet

图5为喷嘴与挡板距离为l=9mm时，三种不同结构冲击射流的彩虹纹影图像以及结构示意图。图5(a)左图是压比较大的冲击射流彩虹纹影实验图像，实验结果中，冲击射流的膨胀波系、射流边界以及产生的马赫盘结构清晰，右图是根据实验结果所画的波系结构示意图，冲击平板的气流在平板壁面附近形成壁面射流，向两边流走。值得一提的是，由于这种类型的冲击射流是轴对称的，喷管出口的速度是中间高，四周低，因此形成的马赫盘是一个凹型弧形平面，在二维平面上显示为一条弧线和一条直线。图5(b)左图是压比稍小的冲击射流彩虹纹影实验图像，与压力较大的冲击射流结构相比较，最明显的变化是马赫盘变成一个平面，在二维平面上显示为一条直线。图5(c)左图是压比更小的冲击射流彩虹纹影实验图像，与压力较大的冲击射流结构相比较，最明显的变化是马赫盘变成一个凸型弧形平面，在二维平面上显示为一条弧线和一条直线。其原因是压比变小之后，出口速度也迅速减小，同时冲击区的平板壁面形成一个循环流动滞止区，将马赫盘向上顶起，形成滞止泡。

(a)

(b)

(c)

3 结论

利用彩虹纹影测量系统，对不同距离不同压比的冲击射流进行实验研究，得到了一些效果较好的冲击射流实验结果，通过研究得到以下结论：

(1) 利用彩虹纹影系统获得了清晰的冲击射流实验照片，很好地呈现了冲击射流的波系结构，也证明了彩虹纹影系统的高分辨率和灵敏度；

(2) 通过对三种不同结构的冲击射流的波系结构进行分析发现，冲击射流的形成与来流条件相关，也与喷管喷口与冲击壁面的距离相关。在喷嘴与挡板距离较大时，形成的射流结构与自由射流相似，壁面附近的射流区域不明显。随着距离减小，冲击射流在壁面冲击区附近射流比较剧烈。距离进一步减小时，出现滞止泡等结构；

(3) 发展的彩虹纹影系统，为研究超声速流场显示提供了一种可行方法。

参考文献:

[1]Thomas D. Supersonic rectangular jet impingement noise experiments[J]. AIAA Journal, 1991, 29(7): 1051-1057.

[2]Sheplakm M, Spina E. F. Control of high-speed impinging jet resonance[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1583-1588.

[3]Daniel Mitchell, Damon Honnery, Julio Soria. Optical measurements in free and impinging underexpanded jets[C]. 13th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006.

[4]Krothapalli A. Flow field and noise characteristics of a supersonic impinging jet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1999, 392: 155-181.

[5]Elavarasan R, Krothapilli A, Venkatakrishnan L, et al. Suppression of self-sustained oscillations in a superonic imping jet[J]. AIAA Journal, 2001, 39(12): 2366-2373.

[6]Kumar R, Wiley A, Venkatakrishnan L. Role of coherent structures in supersonic impinging jet noise and its control[R]. AIAA 2010-3873.

[7]Xu Jinglei, Lin Chunfeng, Liu Kaili, et al. PIV study and numerical simulation of the unsteady flowfield of overexpanded supersonic impinging jet atMa=3[R]. AIAA 2010-6991.

[8]姚朝晖, 侯秀洲, 郝鹏飞. 超声速冲击射流的PIV实验研究[J]. 实验流体力学, 2007, 21(4): 32-35.

Yao Zhaohui, Hou Xiuzhou, Hao Pengfei. PIV experimental research on supersonic impinging jet[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(4): 32-35.

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