基于氣體放電的高超聲速激波結(jié)構(gòu)顯示技術(shù)

沙心國(guó), 文 帥, 袁明論, 盧洪波, 紀(jì) 鋒

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

0 引 言

在超/高超聲速流動(dòng)中，激波是非常重要的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，以確定超/高超聲速流場(chǎng)是否建立及確認(rèn)模型周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)。

目前在超/高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)的手段主要有基于氣體折射率變化的紋影等光透射法、基于示蹤粒子的NPLS等光散射法、基于示蹤粒子的PLIF等熒光法及基于氣體放電的發(fā)光法。廣泛應(yīng)用的紋影和陰影獲得的流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)一般是整個(gè)光學(xué)路徑上氣體密度變化量的疊加，難以測(cè)量三維激波結(jié)構(gòu)及復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分截面顯示[1]。NPLS和PLIF等可對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分截面觀測(cè)，但需要在流場(chǎng)中播撒示蹤粒子，用于高超聲速?gòu)?fù)雜流動(dòng)(特別是密度較低的流動(dòng))，存在粒子跟隨性問(wèn)題[2-3]?；跉怏w放電的發(fā)光法是利用外電場(chǎng)作用下氣體自持放電來(lái)顯示流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，主要用于氣體密度較低的試驗(yàn)流場(chǎng)顯示，最為典型的就是輝光放電流場(chǎng)顯示技術(shù)。從20世紀(jì)中期，研究者就開(kāi)始嘗試?yán)幂x光放電技術(shù)來(lái)觀測(cè)高超聲速低密度風(fēng)洞的試驗(yàn)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，目前已成為高超聲速低密度風(fēng)洞中必備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)高超聲速低密度流場(chǎng)中波系結(jié)構(gòu)的顯示和邊界層厚度的確定[4-10]，但該方法主要集中用于風(fēng)洞來(lái)流靜壓小于10Pa的流場(chǎng)。由于流場(chǎng)靜壓極低，輝光放電區(qū)域相對(duì)較大，能夠進(jìn)行大面積流場(chǎng)顯示，但難以進(jìn)行分截面流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)的測(cè)量。

20世紀(jì)70年代起，國(guó)外進(jìn)一步探索風(fēng)洞來(lái)流靜壓較高條件下(約100Pa量級(jí))的氣體放電流場(chǎng)顯示技術(shù)[11]，日本這方面最為突出。Masatomi等人在高超聲速脈沖風(fēng)洞中采用氣體放電的方法開(kāi)展了大量的研究工作，通過(guò)調(diào)整電極位置獲得了X-33模型流向和展向激波結(jié)構(gòu)[12]，并將該技術(shù)應(yīng)用于模型周?chē)鷾囟确植佳芯縖13]、激波/邊界層干擾研究[14]、流線顯示研究[15]和模型尾跡行為研究[16-17]中。Itoh等人采用氣體放電的方法獲得了圓柱/平板干擾區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[18]。Jagadeesh等人[19]在HST2高超聲速激波風(fēng)洞中采用氣體放電的方法獲得了大鈍錐模型周?chē)鲌?chǎng)激波結(jié)構(gòu)。這些研究表明，氣體放電可用于靜壓較高的高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)顯示，且特別適合復(fù)雜流動(dòng)的局部觀測(cè)。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始在高超聲速低密度風(fēng)洞中開(kāi)展輝光放電流場(chǎng)顯示技術(shù)研究，原航天部701所(現(xiàn)中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院)在FD-04和FD-05低密度風(fēng)洞中首先建立了輝光放電流場(chǎng)顯示技術(shù)，后將該技術(shù)推廣應(yīng)用到中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的低密度風(fēng)洞[20-22]，但尚未見(jiàn)在流場(chǎng)靜壓較高的高超聲速脈沖風(fēng)洞中使用氣體放電方法進(jìn)行流場(chǎng)顯示的報(bào)道。緊密結(jié)合高超聲速實(shí)驗(yàn)局部復(fù)雜流場(chǎng)觀測(cè)需求，本文在高超聲速脈沖風(fēng)洞中搭建了氣體放電系統(tǒng)，并分別以平板模型、平板-方塊模型和簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了較高靜壓(100Pa量級(jí))下氣體放電流場(chǎng)顯示技術(shù)研究。

1 氣體放電系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 氣體放電原理與系統(tǒng)

氣體放電就是在某一體積的氣體流場(chǎng)中，施加一個(gè)高壓電場(chǎng)，使氣體中的自由電子和離子在外電場(chǎng)作用下獲得加速，產(chǎn)生定向的躍遷運(yùn)動(dòng)，并與氣體分子發(fā)生碰撞，又產(chǎn)生二次電子和離子，這些電子和離子是不穩(wěn)定的，不斷回到原來(lái)能級(jí)上去，當(dāng)它們復(fù)合成中性分子時(shí)，將能量以光量子的形式釋放出來(lái)[1]。

氣體放電流場(chǎng)顯示系統(tǒng)主要由放電系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)2部分組成，其中放電系統(tǒng)包括高壓電源、放電電極和示波器。高壓電源具有輸出電壓和輸出頻率調(diào)節(jié)功能，放電電極材質(zhì)為銅，采用示波器記錄放電波形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用高頻相機(jī)拍攝放電圖像。

圖1 放電系統(tǒng)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的高超聲速脈沖風(fēng)洞FD-20中進(jìn)行[23]，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)流參數(shù)為馬赫數(shù)Ma=12.16、總壓p0=16.8MPa、總溫T0=1522K、靜壓p≈106Pa、單位雷諾Re=0.4×106，風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間約40ms。實(shí)驗(yàn)前試驗(yàn)段靜壓小于100Pa。

圖2 FD-20脈沖風(fēng)洞

采用輸出為正弦波的高壓交流電源，放電峰值電壓為1.68kV，放電頻率為4.77kHz。

采用高頻相機(jī)進(jìn)行氣體放電圖像的采集，采集頻率為3000Hz，曝光時(shí)間為1/3000μs，分辨率1024pixel×1024pixel。

為了確定放電參數(shù)，在低壓環(huán)境下開(kāi)展了放電效果影響實(shí)驗(yàn)，獲得了放電電極形狀、放電電壓、放電頻率和環(huán)境靜壓等因素對(duì)放電效果的影響，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[24]?；诘蛪涵h(huán)境放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合模型的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了本文研究中3個(gè)模型所采用的放電電極形狀、放電參數(shù)和相機(jī)拍攝參數(shù)等。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3個(gè)模型共用1個(gè)底座和支桿，為了保證模型的強(qiáng)度，模型底座和支桿為鋼制，由于氣體放電實(shí)驗(yàn)需要在模型表面布置電極，模型的其他部分均由電絕緣材料制成。

前期的低壓環(huán)境放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放電電極形狀影響放電區(qū)域的形狀，放電電極位置決定放電區(qū)域的位置[24]。本文實(shí)驗(yàn)研究中根據(jù)不同模型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和觀測(cè)區(qū)域選擇合適的放電電極形狀和電極對(duì)位置。

2.1 平板模型

平板模型前緣楔角為30°，寬320mm，長(zhǎng)445mm。平板模型的放電電極為針-線電極，針電極垂直于模型表面，距模型表面60mm，線電極沿流向布置于模型中心線上，如圖3所示。

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 風(fēng)洞安裝圖

2.2 平板-方塊模型

平板-方塊模型為在平板模型中心線上距離前緣205mm的位置放置一個(gè)30mm×30mm×30mm的立方體。該模型的放電電極是針-線電極，與平板模型的電極布置方式類(lèi)似，針電極垂直于模型表面，距模型表面60mm，線電極長(zhǎng)85mm，寬3mm，沿流向布置于模型表面，通過(guò)調(diào)整電極對(duì)位置實(shí)現(xiàn)對(duì)中心截面(Z=0mm)和距中心60mm截面(Z=60mm) 2個(gè)位置激波結(jié)構(gòu)的顯示，如圖5所示。

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 風(fēng)洞安裝圖

圖5 平板-方塊模型放電截面示意圖

2.3 簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型

仿照側(cè)壓式進(jìn)氣道[25]，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型，在該模型的2個(gè)側(cè)立板中間區(qū)域可以產(chǎn)生與側(cè)壓式進(jìn)氣道類(lèi)似的激波交叉-反射-交叉結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型的放電電極為線-線電極，電極布置在模型側(cè)立板的內(nèi)側(cè)面頂部，距模型底面55mm，線電極長(zhǎng)100mm，寬3mm，如圖6所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

本文利用有限體積法對(duì)三維層流N-S方程進(jìn)行離散求解。數(shù)值格式采用二階守恒型TVD格式，網(wǎng)格分界面的物理量采用近似黎曼方法(HLLC)求解，配以Minmod限制器以抑制激波等物理間斷面附近的非物理震蕩和不損失遠(yuǎn)離間斷面的數(shù)值精度。時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式偽時(shí)間步長(zhǎng)法推進(jìn)處理。本文所采用的數(shù)值計(jì)算方法適合用于求解高速可壓縮流動(dòng)，能夠很好地避免求解強(qiáng)激波時(shí)出現(xiàn)非物理的紅寶石(Carbuncle)現(xiàn)象，且在文獻(xiàn)[26-28]中已得到驗(yàn)證。平板-方塊模型和簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型的計(jì)算域如圖7所示，分別采用不同大小的網(wǎng)格開(kāi)展流場(chǎng)計(jì)算，獲得的模型中心線壓力分布如圖8所示，對(duì)比不同網(wǎng)格計(jì)算獲得的模型中心線壓力分布可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目增加到一定程度以后，數(shù)值計(jì)算結(jié)果不再隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加而改變，采用網(wǎng)格數(shù)目為376萬(wàn)(160萬(wàn))的網(wǎng)格計(jì)算獲得的平板-方塊模型(簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型)流場(chǎng)信息是準(zhǔn)確可靠的。

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 風(fēng)洞安裝圖

(a) 平板-方塊模型

(b) 簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型

(a) 平板-方塊模型

(b) 簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

采用數(shù)值模擬計(jì)算和紋影儀獲得的激波結(jié)構(gòu)與氣體放電方法獲得的流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證采用氣體放電方法獲得的流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)的正確性。簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型由于特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)法使用紋影儀獲得2個(gè)側(cè)立板中間區(qū)域的流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)，只采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

4.1 平板模型

圖9為平板模型的氣體放電圖像和紋影圖像，在2幅圖像中均能看到平板模型的前緣斜激波①和模型上方針電極引起的誘導(dǎo)激波②。以針電極外輪廓為基準(zhǔn)，氣體放電所得的前緣斜激波夾角為83.65°，紋影所得的前緣斜激波夾角為83.44°，差異較小，約0.21°，即2種方法獲得的激波角基本一致，可見(jiàn)氣體放電方法能夠較準(zhǔn)確顯示高超聲速脈沖風(fēng)洞流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)。此外，還可以看出氣體放電區(qū)域基本集中在兩電極之間的區(qū)域，使用氣體放電方法未能獲得紋影一樣的全視場(chǎng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明在氣流靜壓相對(duì)較高(100Pa左右)時(shí)氣體放電只能顯示電極之間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，因此在風(fēng)洞試驗(yàn)中需要根據(jù)流場(chǎng)顯示需求進(jìn)行電極的合理布置。

(a) 氣體放電圖像

(b) 紋影圖像

4.2 平板-方塊模型

圖10為平板-方塊模型的紋影圖像和2個(gè)測(cè)量截面上的氣體放電圖像。圖10(c)所示中心截面的氣體放電圖像中，可以清晰地看到模型前緣斜激波①、針電極誘導(dǎo)的斜激波②、方塊頭部的弓形激波③和方塊上游角區(qū)的分離激波④，通過(guò)氣體放電方法獲得的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與紋影圖像中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)相似，激波形狀與位置基本一致。

(a) 紋影圖像

(b) 紋影圖像局部放大圖

(c) 中心截面氣體放電圖像

(d) Z=60mm位置截面氣體放電圖像

對(duì)比圖10(c)和(d) 2個(gè)不同截面上的氣體放電圖像，在Z=60mm截面的放電圖像中，只有模型前緣斜激波①和針電極誘導(dǎo)的斜激波②，未見(jiàn)方塊引起的弓形激波③和分離激波④。采用氣體放電方法獲得的2個(gè)截面上的激波結(jié)構(gòu)，除針電極誘導(dǎo)的斜激波外，其他波系特征與圖11中數(shù)值模擬計(jì)算獲得的2個(gè)截面上的激波結(jié)構(gòu)類(lèi)似，表明在高超聲速脈沖風(fēng)洞中采用氣體放電方法可進(jìn)行分截面激波結(jié)構(gòu)顯示。本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)相距60mm的2個(gè)截面進(jìn)行了激波結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，如將觀測(cè)截面的間距減小，增加觀測(cè)截面，通過(guò)多個(gè)截面上的激波形狀即可還原模型周?chē)娜S激波結(jié)構(gòu)。由于放電區(qū)域具有一定的寬度，2個(gè)觀測(cè)截面的最小間距由放電區(qū)域的寬度決定，而放電區(qū)域的寬度受環(huán)境靜壓、電極寬度和放電參數(shù)等因素影響，因此不同觀測(cè)截面的最小間距需要視具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)而改變。

(a) Z=0mm位置截面

(b) Z=60mm位置截面

Fig.11Shockwavestructurearoundtheplate-cubemodel(Numericalsimulationresult,densitydistribution)

4.3 簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型

圖12為氣體放電方法獲得的簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型激波結(jié)構(gòu)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，采用氣體放電方法獲得了模型側(cè)立板中間區(qū)域的激波交叉-反射-交叉結(jié)構(gòu)。以側(cè)立板的長(zhǎng)度作為尺寸參照，對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的反射激波位置與Diamond shock cell的長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量，數(shù)值計(jì)算Diamond shock cell的長(zhǎng)度為71.5mm，實(shí)驗(yàn)獲得的長(zhǎng)度為77.6mm，兩者相差約6.1mm，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，兩者差異約7.9%，說(shuō)明氣體放電方法可以較準(zhǔn)確顯示內(nèi)流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)。

由于簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型的底板遮擋了紋影技術(shù)的光學(xué)路徑，無(wú)法采用紋影技術(shù)進(jìn)行模型2個(gè)側(cè)立板中間區(qū)域激波結(jié)構(gòu)的顯示。采用氣體放電流場(chǎng)顯示技術(shù)成功獲得了2個(gè)側(cè)立板中間區(qū)域的流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了使用氣體放電流場(chǎng)顯示技術(shù)可進(jìn)行被模型遮擋區(qū)域激波結(jié)構(gòu)顯示。

圖12 簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型激波結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

在高超聲速脈沖風(fēng)洞中搭建了氣體放電流場(chǎng)顯示系統(tǒng)，分別以平板模型、平板-方塊模型和簡(jiǎn)化進(jìn)氣道模型為研究對(duì)象，開(kāi)展了風(fēng)洞驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 在高超聲速脈沖風(fēng)洞中，采用氣體放電方法可以在放電區(qū)域獲得清晰準(zhǔn)確的流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)，相對(duì)于紋影技術(shù)，氣體放電方法具有觀測(cè)光路簡(jiǎn)單，可進(jìn)行高超聲速流場(chǎng)分截面激波結(jié)構(gòu)觀測(cè)和被模型遮擋區(qū)域激波結(jié)構(gòu)顯示，但受放電區(qū)域大小限制，觀測(cè)視場(chǎng)相對(duì)較小，因此比較適合進(jìn)行局部復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)；

(2) 本文發(fā)展的放電流場(chǎng)技術(shù)豐富了高超聲速三維激波結(jié)構(gòu)與高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)的觀測(cè)手段。