高速攝像機(jī)結(jié)合紋影技術(shù)捕捉超音速激波與馬赫環(huán)

　　本實(shí)驗(yàn)利用中科君達(dá)視界自研的千眼狼高速攝像機(jī)（Revealer High-speed camera），在90,000fps幀率下結(jié)合紋影法，成功觀測了1馬赫超音速噴射氣流。清晰記錄了從噴口清晰的馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)、中部的剪切層湍流混合，到尾部的氣流擺動全過程，為航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)提供了可視化依據(jù)。

　　超音速噴射氣流是航空發(fā)動機(jī)等推進(jìn)系統(tǒng)的動力來源，發(fā)動機(jī)噴管噴射處的超音速氣流在高速氣流場中形成典型的密度梯度結(jié)構(gòu)，如環(huán)狀激波、馬赫環(huán)、氣流擺動現(xiàn)象等，可表征噴射流場的壓強(qiáng)分布及不穩(wěn)定性，是噴管設(shè)計(jì)、提升航空發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率的重要依據(jù)。

　　超音速噴射氣流速度極快，氣流結(jié)構(gòu)瞬態(tài)性強(qiáng)，普通千幀級高速攝像機(jī)無法捕捉激波細(xì)節(jié)。某航空實(shí)驗(yàn)室的科研人員，采用中科君達(dá)視界自研的萬幀級高速攝像機(jī)，結(jié)合高速攝像技術(shù)與紋影法，清晰捕捉到微型氣嘴處噴出的超音速氣流產(chǎn)生的馬赫環(huán)和氣流擺動現(xiàn)象。

　　實(shí)驗(yàn)采用一直徑3 mm的圓形直管作為噴射裝置，氣源為壓縮空氣，氣流噴射速度為1馬赫；核心觀測設(shè)備采用中科君達(dá)視界自研的千眼狼高速攝像機(jī)，核心參數(shù)1280×1024@15,000fps，實(shí)際采集幀率為ROI裁剪畫幅后可達(dá)90,000fps；紋影光路采用平行光路與刀口濾波，使用透鏡成像方式觀測激波，由于激波產(chǎn)生的空氣紋理變化較為細(xì)微，故使用高速攝像機(jī)捕捉時(shí)，將畫面亮度調(diào)低以使空氣擾動現(xiàn)象更加明顯。

　　根據(jù)高速攝像機(jī)90,000fps采集幀率捕捉到的序列圖像，典型觀測現(xiàn)象包括：

　　I. 噴流前部：清晰多級馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)

　　高速影像記錄顯示在直管噴口附近，超音速氣流經(jīng)過膨脹與壓縮交替過程后，在噴射初段（約12 mm）呈現(xiàn)輪廓清晰的周期性環(huán)狀激波，4個(gè)穩(wěn)定的馬赫環(huán)排列整齊，軸對稱度高，邊界銳利，明暗對比明顯，是紋影法中典型的密度梯度圖像。這說明噴射前段處于典型的重復(fù)膨脹-壓縮循環(huán)模式：噴口靜壓高于環(huán)境壓力，氣體離開噴口立即發(fā)生膨脹，氣流加速，密度下降，膨脹后的超聲速氣體在外界壓力作用下被重新壓縮，形成環(huán)狀壓縮激波即馬赫環(huán)，膨脹-壓縮過程周期性出現(xiàn)，形成前段的激波串結(jié)構(gòu)。

　　II. 噴流中部：馬赫環(huán)模糊并產(chǎn)生形變

　　往噴射流下游，約12~ 27 mm，分布約5個(gè)模糊的馬赫環(huán)，亮度減弱，主要是受射流外緣的高速-低速交界處產(chǎn)生的剪切層影響：噴流與周圍環(huán)境空氣之間的速度梯度極大，形成剪切層，隨著距離增加，剪切層厚度逐漸增大，并向噴流中心滲透，剪切層內(nèi)部發(fā)生劇烈的湍流混合，導(dǎo)致噴流內(nèi)部壓力波和密度梯度被稀釋。湍流的作用破壞了馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從前序清晰的激波面演化成模糊、離散的、破碎的壓縮氣流。

　　III. 噴流尾部：馬赫環(huán)消散，噴流呈擺動射流

　　噴射流超過27 mm后，馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)基本已消散，噴流整體呈現(xiàn)橫向擺動噴射形態(tài)。這主要源自噴流速度下降至音速或亞音速，噴流特性由激波主導(dǎo)轉(zhuǎn)為湍流主導(dǎo)，湍流中形成的上下交替發(fā)育的大尺度渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴流軸心發(fā)生橫向擺動位移。

　　實(shí)驗(yàn)成功利用高速攝影與紋影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對微型超音速噴流激波結(jié)構(gòu)的動態(tài)觀測，清晰捕捉到馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)與噴流尾部擺動現(xiàn)象，表明高速攝像機(jī)結(jié)合紋影系統(tǒng)是高超音速流動可視化觀測實(shí)驗(yàn)的有效工具，對推動發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與流動控制技術(shù)發(fā)展具有積極意義。

　　轉(zhuǎn)自：千龍網(wǎng)

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