膛口流場(chǎng)可視化測(cè)試技術(shù)*

顧金良，趙構(gòu),羅紅娥，夏言

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210094）

膛口流場(chǎng)可視化測(cè)試技術(shù)*

顧金良，趙構(gòu),羅紅娥，夏言

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210094）

為了得到清晰膛口流場(chǎng)分布照片，提出了一種新的數(shù)字式CCD陰影照相系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由高像素CCD相機(jī)、窄脈沖激光光源和時(shí)序控制器組成。當(dāng)系統(tǒng)收到啟動(dòng)信號(hào)后，通過時(shí)序控制器控制相機(jī)和激光光源按照設(shè)置好的時(shí)序觸發(fā)并完成拍攝，將膛口流場(chǎng)照片保存到時(shí)序控制器中。利用此系統(tǒng)進(jìn)行膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置方便，拍攝的膛口流場(chǎng)照片分辨率高且可即時(shí)獲得，為數(shù)值計(jì)算及相關(guān)武器研究提供直接的實(shí)驗(yàn)對(duì)照和參考。高像素CCD陰影照相系統(tǒng)是強(qiáng)有力的膛口流場(chǎng)可視化測(cè)試手段。

膛口流場(chǎng)，高像素CCD相機(jī)，窄脈沖激光光源，時(shí)序控制器

0 引言

彈丸出膛口后，彈丸不斷壓縮彈前空氣柱，并在彈前形成向前移動(dòng)的沖擊波。沖擊波對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，并且沖擊波和射流存在激烈的相互作用。彈丸穿越膛口流場(chǎng)時(shí)獲得了一定增速和初始擾動(dòng)，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩使得彈丸攻角增大，影響彈丸的飛行穩(wěn)定性，從而使彈丸命中精度下降；同時(shí)膛口流場(chǎng)是非定常、多相、湍流，并有方向性和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流場(chǎng)［1］，伴隨沖擊波射流產(chǎn)生的有害擾動(dòng)如強(qiáng)激波、沖擊波、膛口焰對(duì)射手、光學(xué)儀器和周圍建筑有巨大損傷。通過可視化測(cè)試手段拍攝不同時(shí)刻膛口流場(chǎng)分布圖像，對(duì)研究膛口流場(chǎng)的生成和發(fā)展過程、減小膛口沖擊波危害有著重要的意義。

為了建立完善膛口流場(chǎng)理論，國內(nèi)外進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，一種是利用商用軟件進(jìn)行數(shù)值仿真［2-6］；而另一種則是進(jìn)行膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)［8-9］，獲得實(shí)際的膛口流場(chǎng)照片，其實(shí)驗(yàn)方法主要有陰影法、紋影法和干涉法。許多兵器學(xué)者進(jìn)行了大量的膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，并取得了很多成就，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，使用膠片進(jìn)行成像，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)字化程度不夠，實(shí)驗(yàn)流程復(fù)雜，得到照片的測(cè)試周期較長。針對(duì)上述問題，建立了一套數(shù)字式陰影照相系統(tǒng)［10］用于膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，所得膛口流場(chǎng)圖像清晰，并且實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)單易行，實(shí)驗(yàn)周期短，圖像數(shù)據(jù)處理方便。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1 系統(tǒng)組成

膛口流場(chǎng)CCD陰影照相系統(tǒng)的組成如圖1所示，由高像素CCD相機(jī)、時(shí)序控制器、532 nm窄脈沖激光光源及漫反射屏等組成。多臺(tái)CCD相機(jī)沿彈道方向布置，漫反射屏豎直放置CCD相機(jī)和光源正前方，通過時(shí)序設(shè)置，能夠拍攝到不同時(shí)刻的膛口流場(chǎng)圖像。在拍攝時(shí)通過時(shí)序控制器中的相機(jī)控制軟件設(shè)置好相機(jī)的快門時(shí)間、曝光時(shí)間以及激光器的閃光時(shí)間，并將CCD相機(jī)的視場(chǎng)調(diào)好。由發(fā)射產(chǎn)生的信號(hào)給時(shí)序控制系統(tǒng)一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，時(shí)序卡開始計(jì)時(shí)，按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)序觸發(fā)激光器和CCD相機(jī)，時(shí)序設(shè)置時(shí)必須保證激光器閃光時(shí)CCD相機(jī)正處于曝光狀態(tài)，才能成功拍攝，捕捉到膛口流場(chǎng)照片后上傳到時(shí)序控制器，并記錄下拍攝時(shí)間。

系統(tǒng)所用CCD相機(jī)像素為2 900萬，曝光時(shí)間為7μs。由于炮口火焰強(qiáng)度高，曝光時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致所拍攝照片飽和，因此，為了減小火焰干擾，實(shí)驗(yàn)需使用CCD相機(jī)的最小曝光時(shí)間，這就要求光源強(qiáng)度足夠高，因而系統(tǒng)采用的是窄脈沖激光光源，激光脈沖半峰寬小于20 ns；為了進(jìn)一步濾去雜光，將一個(gè)532 nm窄帶濾光鏡片覆蓋在相機(jī)鏡頭前，這樣能使激光盡量透過而濾除大部分炮口焰雜光，將膛口火焰干擾降到最低。

2 試驗(yàn)及分析

利用上述數(shù)字式陰影照相系統(tǒng)，對(duì)7.62 mm口徑槍進(jìn)行了膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，圖2～圖4為不同時(shí)刻膛口主流場(chǎng)分布圖像。

從實(shí)驗(yàn)圖片上可以清楚看到膛口主流場(chǎng)變化，火藥燃?xì)馍淞饕鸦緬哌^了初始流場(chǎng)，并在空氣中形成了近似球形的沖擊波。火藥燃?xì)馍淞飨蚯肮跔钔黄?，并有相?yīng)的冠狀沖擊波。圖2為彈丸運(yùn)動(dòng)到湍流氣團(tuán)時(shí)的流場(chǎng)圖像，在膛口沖擊波前有兩道初始沖擊波，此時(shí)瓶狀激波系已基本形成，火藥燃?xì)馍淞髦谐霈F(xiàn)相交激波，但是由于火藥燃燒不充分，有大量的火藥顆粒噴出，無法觀測(cè)到彈丸和瓶狀激波系的結(jié)構(gòu)；圖3中可以看到彈丸即將穿過火藥燃?xì)馍淞鬟吔?，向膛口沖擊波運(yùn)動(dòng)，而膛口沖擊波已經(jīng)超過第二道初始沖擊波。彈丸對(duì)射流的限制減弱，在圖中隱約可以看見相交激波；圖4中彈丸完全穿過火藥燃?xì)獾竭_(dá)膛口沖擊波，此時(shí)膛口沖擊波也即將超越第一道初始沖擊波，彈丸穿過冠狀波時(shí)，彈頭出現(xiàn)清晰的斜激波，馬赫盤基本形成，在圖中可以看到馬赫盤和相交激波。

圖2 彈丸在湍流氣球中時(shí)的流場(chǎng)

圖3 彈丸穿過射流時(shí)的流場(chǎng)

圖4 彈丸超越膛口沖擊波時(shí)流場(chǎng)

膛口主流場(chǎng)具有高度的瞬變性、強(qiáng)烈的方向性，并且波系結(jié)構(gòu)復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)所拍攝的7.62 mm槍膛口流場(chǎng)照片初始沖擊波、膛口沖擊波和射流邊界清晰，根據(jù)時(shí)序控制器記錄下每次拍攝的時(shí)間，可以計(jì)算出馬赫盤形成和彈丸穿越主流場(chǎng)進(jìn)入自由空氣所需的時(shí)間。

3 結(jié)束語

通過數(shù)字式CCD陰影照相系統(tǒng)進(jìn)行膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，可以清楚觀測(cè)到不同時(shí)刻彈丸位置、姿態(tài)以及膛口流場(chǎng)分布情況，解決了以前實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理不方便等問題，大大縮短了測(cè)試周期，為膛口流場(chǎng)的數(shù)值研究提供可參照的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。并且將高像素CCD相機(jī)引入膛口流場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，為流場(chǎng)成像提供了一種新的思路。

［1］尤國釗，許厚謙，楊啟仁.中間彈道學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

［2］張煥好，陳志華，姜孝海，等.高速彈丸穿越不同制退器時(shí)的膛口流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2012，33（5）：623-628.

［3］張輝，譚俊杰，崔東明.帶膛口裝置的流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.火炮發(fā)射及控制學(xué)報(bào),2007，（2）：48-51.

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Research on Visual Testing Technology of Muzzle Flow Field

GU Jin-liang，ZHAO Gou，LUO Hong-e，XIA Yan
（National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing 210094,China）

A digital CCD shadowgraph system has been established to achieve clear muzzle flow field imaging distribution，the system consists of high-resolution CCD camera、narrow pulse width laser and time schedule controller.When activating signals is received，camera and laser light are triggered as been settled through the time schedule controller,then finished shooting,these photographs are stored in the time schedule controller.Performing visual experiment of muzzle flow field by using this system,it is convenient to prepare the experimental facilities，the taken photos can be obtained timely with high resolution,provides and reference for the verification of numerical results and related researches on weapons.The digital CCD shadowgraph system are powerful means of visual testing of muzzle flow field.

muzzle flow field，high-resolution CCD camera，narrow pulse width laser，time schedule controller

TJ012.2

A

1002-0640（2015）12-0171-02

2014-11-15

2015-01-17

軍隊(duì)“十二五”預(yù)研基金資助項(xiàng)目

顧金良（1963-），男，江蘇張家港人，副研究員。研究方向：瞬態(tài)，物理測(cè)試技術(shù)。