干涉瑞利散射測速技術(shù)在跨超聲速風(fēng)洞的湍流度測試應(yīng)用研究

楊富榮, 陳 力, 閆 博, 蘇 鐵, 鮑偉義, 陳 爽

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所 高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室, 綿陽 621000; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

風(fēng)洞實驗中，來流的流動速度是最為基本的物理量，湍流度是風(fēng)洞流場品質(zhì)的重要參數(shù)，需要對其進行準確測量，并對其影響進行修正，以提高風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)精準度2〗。如果湍流度測量不準確，風(fēng)洞實驗得到的模型氣動系數(shù)也不精確，將會在很大程度上影響飛行器氣動性能的預(yù)測精度。特別是隨著現(xiàn)代航空、航天技術(shù)以及空氣動力學(xué)科的迅速發(fā)展，超聲速、高超聲速飛行器風(fēng)洞實驗中，對來流湍流度的測量需求變得十分迫切，發(fā)展先進的速度及湍流度測量技術(shù)，提供可靠的風(fēng)洞實驗結(jié)果，對促進國家高速飛行器及武器裝備的快速發(fā)展和推動空氣動力學(xué)科不斷進步具有十分重要的意義。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞流場湍流度測量的技術(shù)主要有熱線風(fēng)速儀測速技術(shù)[3]、激光多普勒測速技術(shù)[4-5]和時間分辨粒子圖像測速技術(shù)[6]。熱線風(fēng)速儀多用于亞聲速、跨聲速流動湍流度測量，并且屬于接觸式測量，在測量過程中對流場有一定的干擾；激光多普勒測速技術(shù)和時間分辨粒子圖像測速技術(shù)在速度測量時需要添加示蹤粒子，目前受粒子添加技術(shù)及示蹤粒子本身跟隨性的影響，其在高速非定常流動的速度測量中受到較多的限制，甚至無法測量。

為實現(xiàn)高速流場速度脈動測量，20世紀90年代，出現(xiàn)了一種干涉瑞利散射(Interferometric Rayleigh Scattering, IRS)測量技術(shù)[7-11]，其通過對流場氣體分子瑞利散射光譜的分析，在不需要外加示蹤粒子的條件下，實現(xiàn)了對高速流場速度和湍流度等參數(shù)的非接觸測量?，F(xiàn)有的干涉瑞利散射測量技術(shù)多采用光電倍增管，對瑞利散射光信號形成的干涉條紋進行快速采集。NASA Glenn Research Center先后利用不同方案，將瑞利散射同一級次干涉條紋成像于不同的光電倍增管，再通過相應(yīng)圖像處理算法，獲取了時間分辨的干涉條紋在像平面的空間位置及線型分布，實現(xiàn)了流場速度脈動等參數(shù)的定量測量[1-2,12-14]。雖然光電倍增管具有較高的弱信號放大能力，但其在干涉條紋的快速采集過程中，需要利用光學(xué)器件將同一級次干涉條紋進行空間分割，使其被不同的光電倍增管采集，并通過復(fù)雜的解算分析得到干涉條紋的空間位置及線型信息，這極大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；同時，由于該系統(tǒng)只能依靠少量光電倍增管探測的光強信息進行分析，空間采樣率較低，在一定程度上降低了流場速度等參數(shù)的測量精度。為此，本文將高幀頻的EMCCD相機應(yīng)用于干涉瑞利散射測速技術(shù)中，結(jié)合大功率窄線寬連續(xù)激光器和法布里-珀羅干涉儀，在大幅簡化光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了一套干涉瑞利散射測速裝置，實現(xiàn)了高速流場速度脈動的非接觸測量，并將該裝置應(yīng)用于0.3m×0.3m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞實驗，獲得了Ma3.0條件下，風(fēng)洞來流速度及湍流度測量結(jié)果，實驗中裝置時間采樣率達到4kHz。

1 基本原理

當一束激光入射到流場中時，會伴隨氣體分子的瑞利散射，當流場氣體存在一定運動速度時，瑞利散射光將相對入射激光發(fā)生多普勒頻移，頻移的大小與氣體的宏觀運動速度相關(guān)，因此可通過對散射光相對于入射激光的多普勒頻移測量，實現(xiàn)對氣流運動速度的定量測量[15]。

通常，流場氣體運動速度引起的多普勒頻移很小，在波長532nm的激光照射下，100m/s的流動引起的多普勒頻移約為265MHz(波長頻移0.00025nm)，常規(guī)光譜儀已經(jīng)不能將其分辨，此時，基于多光束干涉原理的Fabry-Pérot干涉儀因具有很高的光譜分辨能力成為一個不錯的選擇[9-17]。

Fabry-Pérot干涉儀是一種多光束干涉設(shè)備，其通過將不同波長的單色光，在像平面形成十分明銳且半徑不同的干涉圓環(huán)，可實現(xiàn)對光譜的超高精度分辨。在干涉瑞利散射測速系統(tǒng)中，流場氣體分子的散射激光由于多普勒效應(yīng)，將相對激光器輸出的參考激光產(chǎn)生一定的頻移，在Fabry-Pérot干涉儀的像平面，同一級次散射光與參考激光將形成獨立的、半徑不同的干涉圓環(huán)，散射信號干涉圓環(huán)的半徑與流場速度相關(guān)。因此，通過測量散射光干涉圓環(huán)的半徑，即可實現(xiàn)對流場速度的定量測量[15]。

2 實驗裝置簡介

2.1 裝置光路簡介

設(shè)計的干涉瑞利散射測速裝置主要由激光光源、散射光收集裝置、Fabry-Pérot干涉儀和EMCCD相機組成，如圖1所示。激光光源為大功率、窄線寬、連續(xù)激光器，波長為532nm，功率10W，線寬約5MHz。Fabry-Pérot干涉儀的通光口徑為50mm，端面反射率90%，自由光譜范圍約6.6GHz。EMCCD相機的最高幀頻可達到10 000 frames/s，即裝置的理論采樣率達到10kHz。散射光收集方向與入射激光傳輸方向之間的夾角可根據(jù)實驗工況合理設(shè)置。激光器輸出的激光經(jīng)分束器BS分出很小一部分進入Y型光纖的一個輸入端，作為參考信號；大部分光經(jīng)焦距f=500mm的透鏡L1匯聚后照射被測流場，流場的瑞利散射光經(jīng)透鏡組L2(f=300mm)和L3(f=200mm)耦合進入Y型光纖的另一輸入端，參考激光及瑞利散射信號光經(jīng)焦距f=30mm透鏡L4后形成平行光照射Fabry-Pérot干涉儀，再由焦距f=1000mm透鏡L5將多光束干涉形成的干涉圓環(huán)成像至EMCCD，EMCCD同步記錄了同一時刻參考激光及瑞利散射信號的Fabry-Pérot干涉條紋信息，如圖2(a)所示。通過分析同一時刻同一級次流場瑞利散射信號光相對于參考光干涉圓環(huán)半徑的變化，即可獲得散射光波長(頻率)的改變量，進而獲得時間分辨的流場速度測量結(jié)果。系統(tǒng)的時序控制由一臺DG535實現(xiàn)。由于Fabry-Pérot干涉儀的自由光譜范圍完全由厚度確定，對于一定的多普勒頻移引起的干涉圓環(huán)半徑的變化量，相對于相鄰兩級次干涉圓環(huán)半徑差的比例是固定不變的，僅由頻移大小及Fabry-Pérot干涉儀的厚度決定，與成像透鏡L5的焦距無關(guān)[18]，因此，系統(tǒng)在實驗前不需要速度預(yù)標定。

圖1 干涉瑞利散射測速裝置示意圖

圖2 (a)同一時刻不同級次(只標記出k，k-1)的參考激光(用黑色虛線標記)及瑞利散射信號(用黑色點線標記)形成的干涉圓環(huán)；(b)不同波長激光Fabry-Pérot干涉圓環(huán)一維強度分布計算結(jié)果，插圖為局部放大結(jié)果

Fig.2(a)Interferenceringsconsistofthereferencelaser(blackdottedlines)andtheRayleighlight(blacksolidlines)scatteredsimultaneouslyatdifferentlevels(k,k-1), (b)Computational1DintensitydistributionsofFabry-Pérotinterferenceringsatdifferentlaserwavelengths.Theinsetshowsapartiallyenlargedview

(1)

通過改變散射光收集方向，可實現(xiàn)不同方向速度脈動及湍流度的定量測量。

2.2 裝置速度分辨率理論分析

針對圖1所示的光路，模擬計算了不同波長激光經(jīng)Fabry-Pérot干涉儀多光束干涉后在像平面上的一維光強分布。圖2(b)給出了不考慮氣體分子熱運動引起瑞利散射譜線展寬的條件下，波長為532.000 000、532.000 025和532.000 250nm的激光經(jīng)Fabry-Pérot干涉成像后，在像平面上光強的一維分布，由圖可知，隨著激光波長增加，同一級次干涉圓環(huán)半徑變小。以532.000 000和532.000 025nm的2束激光為例，這2束光的波長間隔為 0.000 025nm(相當于Vk=10m/s速度引起的波長改變量)，其中心級次干涉極大值在像平面分開的距離為13μm，干涉條紋寬度約0.2mm。為了提高數(shù)據(jù)處理精度，可采用最小二乘擬合的方法對同一干涉級次強度進行擬合處理，確定出干涉條紋中心位置，此時干涉條紋中心位置識別精度將優(yōu)于0.1像素，而測試裝置中相機的像元尺寸為16μm，即干涉條紋位置分辨率可達到1.6μm。在實際測試中，流場氣體分子的熱運動，只會使干涉條紋變寬，而不會影響干涉條紋的中心位置，因此設(shè)計的干涉瑞利散射測速裝置的理論速度分辨率可達到1.23m/s。通過改變Fabry-Pérot干涉儀的參數(shù)，使用像元尺寸更小的EMCCD相機，還可進一步提高裝置的速度分辨率。

2.3 裝置湍流度測量驗證實驗

為驗證干涉瑞利散射測速裝置的性能，分別利用熱線風(fēng)速儀和本文研究的干涉瑞利散射測速裝置，對設(shè)計馬赫數(shù)1.8，出口直徑4.7mm的拉瓦爾噴管尾流的同一位置，開展了軸向速度脈動測量對比實驗(為了避免激光干擾熱線測量結(jié)果，熱線測量實驗與干涉瑞利散射測量實驗分別獨立開展)。對比實驗中，熱線風(fēng)速儀與干涉瑞利散射測速裝置的采樣率均設(shè)置為5kHz，即可測量的湍流度信號的最大頻率值均為2.5kHz[19]，采集時間為3s，拉瓦爾噴管入口壓力為0.7MPa。圖3和4分別給出了利用熱線風(fēng)速儀和瑞利散射測速裝置獲得的軸向速度脈動測量結(jié)果和相應(yīng)的功率譜計算結(jié)果。經(jīng)過進一步的計算，熱線風(fēng)速儀測量的該測點平均速度為280m/s，湍流度為7.08%；而干涉瑞利散射測速裝置測量該測點的平均速度為291m/s，湍流度為6.98%，實驗證明，2種方法測量結(jié)果吻合較好，研究的干涉瑞利散射測速裝置可應(yīng)用于流場速度脈動及湍流度測量實驗研究。

圖3 熱線風(fēng)速儀速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

Fig.3Themeasuredvelocitypulsation(a)andthepowerspectrum(b)bythehotwireanemometry

圖4 干涉瑞利散射測速裝置速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

Fig.4Themeasuredvelocitypulsation(a)andthepowerspectrum(b)bytheIRSspeedometer

3 風(fēng)洞實驗及結(jié)果

利用干涉瑞利散射測速裝置，在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上，開展了超聲速流動軸向速度和湍流度測量實驗研究。采用如圖5所示的實驗布局，實驗中，超聲速氣流從右向左流動，連續(xù)激光器輸出的激光經(jīng)透鏡匯聚后穿過實驗段右側(cè)觀察窗玻璃，并在實驗段中心聚焦，測點位于該焦點處。散射光收集及信號采集光路系統(tǒng)與激光傳輸方向成78°夾角，實驗馬赫數(shù)為3.0，總壓458.7kPa，靜壓11.26kPa，總溫298K，圖像采樣幀頻4282 frame/s(可測量的湍流度信號的最大頻率值為2141Hz[19])，對應(yīng)理論流場速度為620m/s。

圖5 干涉瑞利散射測速裝置在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上的實驗布局

Fig.5Themeasuringlayoutin0.3m×0.3mtransonicwindtunnelusingthetime-resolvedIRSspeedometer

通過對風(fēng)洞來流的瑞利散射光譜進行分析，得到Ma3.0條件下，實驗段來流軸向的速度脈動測量結(jié)果和相應(yīng)的功率譜計算結(jié)果，如圖6所示。經(jīng)過計算，該實驗條件下，來流的軸向平均速度為630m/s，與計算結(jié)果基本吻合，來流湍流度為0.73%。

圖6 速度脈動(a)及功率譜(b)測量結(jié)果

4 結(jié) 論

基于瑞利散射原理，以大功率窄線寬連續(xù)激光器為光源、Fabry-Pérot干涉儀為光譜特性分析設(shè)備、高幀頻EMCCD相機為圖像采集設(shè)備，設(shè)計了一套單點干涉瑞利散射速度測量裝置，裝置采樣率達到4kHz?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

(1) 經(jīng)過理論分析，所研究的干涉瑞利散射測速裝置的速度分辨率優(yōu)于1.23m/s；

(2) 通過與熱線風(fēng)速儀湍流度測量對比實驗，驗證了干涉瑞利散射測速技術(shù)具備流場湍流度非接觸測量能力；

(3) 利用設(shè)計的干涉瑞利散射速度測量裝置，在0.3m×0.3m跨超聲速風(fēng)洞上，開展了Ma3.0條件下風(fēng)洞來流的軸向速度和湍流度測量實驗研究，定量得到了實驗段中心處的風(fēng)洞來流軸向速度和湍流度大小，測量結(jié)果和理論計算結(jié)果基本一致，下一步將開高超聲速風(fēng)洞湍流度測試應(yīng)用研究。