脈沖電子束熒光技術(shù)測量稀薄流場速度研究

陳愛國, 王 杰, 李中華, 李震乾, 田 穎, 龍正義

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所, 四川綿陽 621000)

引 言

高超聲速低密度風(fēng)洞噴管出口的稀薄流場速度是重要參數(shù)之一, 如來流的動壓、 Reynolds數(shù)等參數(shù)計算公式中均包含有速度這一物理量. 速度測量的傳統(tǒng)手段是采用Pitot管獲得流場中測點位置的Pitot壓力, 結(jié)合風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓和總溫, 通過正激波關(guān)系式可計算得到流場的Mach數(shù), 進而獲得流場速度, 是一種間接測速的手段. 目前， 流場速度非接觸測量手段有粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)、 Rayleigh散射測速技術(shù)、 激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence, LIF)、 脈沖電子束熒光技術(shù)(pluse electron beam fluores-cence, PEBF). PIV技術(shù)[1-3]和Rayleigh散射測速技術(shù)在高超聲速低密度風(fēng)洞中應(yīng)用需要流場中有激光散射的粒子[4], 且粒子跟隨性滿足高超聲速流場跟隨性的要求[5], 跟隨性好的粒子直徑小, 制備和存放困難, 往流場中添加難度較大. 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)需要流場中有激光可以激發(fā)熒光的氣體分子或自由基, 對于以氮氣為主要介質(zhì)的低密度風(fēng)洞, 需要添加可激發(fā)的氣體[6], 高超聲速低密度風(fēng)洞中難以直接應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù). 脈沖電子束熒光技術(shù)可以在稀薄條件下激發(fā)氮氣分子產(chǎn)生熒光, 無需在流場中添加其他組分, 適合高超聲速低密度風(fēng)洞稀薄流場速度測量; 相比于Pitot管測壓技術(shù)這一傳統(tǒng)手段, 測點多, 且相互無干擾.

法國ONERA的Mohamed等 1993年以來采用脈沖電子束技術(shù)測量了稀薄流場速度[7-8], 只是給出了平均值, 未給出流場速度分布; 美國的Lutfy等1996年以來開始脈沖電子束技術(shù)應(yīng)用[9-12], 但未提供流場速度分布的測量結(jié)果. 國內(nèi)中國空氣動力研究與發(fā)展中心葉希超[13]和中國科學(xué)院力學(xué)研究所林貞彬等[14]開展過電子束熒光技術(shù)的研究, 但沒有開展過脈沖電子束熒光技術(shù)的研究.

為了實現(xiàn)高超聲速低密度風(fēng)洞流場速度的非接觸測量, 發(fā)展了脈沖電子束熒光測速技術(shù), 研制了脈沖電子束熒光測速系統(tǒng)硬件及速度圖像處理軟件, 給出了Φ0.3 m高超聲速低密度風(fēng)洞Ma=12噴管出口的速度場分布, 核心區(qū)7次重復(fù)性最大偏差約10%, 軸線上速度測量結(jié)果與Pitot管測壓技術(shù)、 Rayleigh散射測量結(jié)果、 N-S/DSMC模擬結(jié)果相比偏差為1%.

1 脈沖電子束熒光測速原理和設(shè)備

1.1 原理

電子槍通過加熱鎢絲發(fā)射熱電子, 再對電子進行加速、 聚焦而形成一束細的高能電子束, 稀薄條件下(氣體分子數(shù)密度n≤1×1016/cm3)氣體分子和高速運動的電子相互作用后, 基態(tài)氣體分子受到激發(fā)處于離子的高能激發(fā)態(tài), 不穩(wěn)定的離子高能激發(fā)態(tài)躍遷至穩(wěn)定的離子基態(tài), 同時發(fā)出多個波長的光子, 不同波長的光子有不同的壽命, 以高超聲速低密度風(fēng)洞中最常用的氮氣介質(zhì)為例, 其中各種光子壽命為66 ns～50 μs, 熒光即為所有光子的集合, 熒光在流場中會跟隨氣流邊流動邊衰減. 脈沖電子束測量速度時序如圖1所示, 同步控制器同時發(fā)出觸發(fā)信號給電子槍和ICCD, 以一個脈沖周期為例, 電子槍收到高電平信號時發(fā)射電子束， 在流場中發(fā)出熒光, 電子槍收到低電平脈沖信號時， 停止發(fā)射電子束， 不再激發(fā)氣體產(chǎn)生新的光子, 熒光束強度逐漸衰減, 并且熒光束位置會隨流場變化; ICCD收到低電平脈沖信號時， 延遲t0拍攝一張流場中熒光束的圖片, 間隔Δt再拍攝一張流場中熒光束的圖片; 通過兩張圖片中熒光束的位移和時間間隔即可獲得熒光束的運動速度, 由于光子在流場的跟隨性好, 熒光束的運動速度即為流場速度. 這種方法在文獻[8]中也稱為飛行時間法(time of flight, TOF).

圖1 脈沖電子束測量速度的時序示意Fig. 1 Sequential sketch of velocity measurement by PEBF

由于熒光強度弱, 拍攝時間短, 圖像中熒光束分辨質(zhì)量差. 為提高圖像中熒光束對比度, 重復(fù)多個脈沖,t0與t0+Δt時刻的各自圖像累積疊加.

1.2 低密度風(fēng)洞

實驗在CARDC的Φ0.3 m高超聲速低密度風(fēng)洞(風(fēng)洞代號FD-17)上進行, 該風(fēng)洞是一座典型的高壓下吹、 真空抽吸的暫沖運行風(fēng)洞. 風(fēng)洞由氣源系統(tǒng)、 加熱器、 穩(wěn)定段、 噴管、 實驗段、 擴壓段、 冷卻器、 真空系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等部分組成. 該風(fēng)洞目前配備有型面噴管8套, 噴管出口Mach數(shù)為5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12; 錐形噴管3套, 噴管出口Mach數(shù)為12, 16和24, 所有噴管出口直徑均為Φ300 mm. 介質(zhì)為氮氣或空氣, 實驗根據(jù)不同的狀態(tài)可分別選用石墨電阻加熱器或儲熱式加熱器進行加熱或不加熱. 本次速度測量實驗選用名義Ma=12型面噴管, 采用氮氣為介質(zhì)), 通過石墨加熱器提供熱源, 實驗狀態(tài): 總溫為650 K, 總壓為2 MPa.

圖2 低密度風(fēng)洞主體設(shè)備圖Fig. 2 Main facilities of low density wind tunnel

1.3 電子槍、 同步控制器、 ICCD和標尺

電子槍及X-Y運動工作臺安裝在風(fēng)洞實驗段頂部(見圖3), 電子槍在沿噴管軸線移動200 mm、 徑向移動80 mm的行程, 可進行多個位置的速度測量. 電子槍的電子能量為0～50 keV, 束流為0～10 mA, 脈沖頻率為0～50 kHz.

圖3 電子槍安裝在風(fēng)洞實驗段頂部Fig. 3 Electron gun on the top of test section

同步控制器為Micropulse 725可編程同步時序控制器, 有7路TTL控制信號可同時輸出, 延時誤差為(0.25+0.000 1)ns周期. 分析對于50 kHz脈沖頻率的信號輸出, 其延時誤差為2.25 ns, 相對20 μs 的周期而言, 其偏差為0.011%.

ICCD為增強型CCD 相機, 面陣像素為1 024×1 024, 門控式快門技術(shù)可實現(xiàn) 2 ns 的高速門控, 熒光屏材料為P43. ICCD相機前加裝鏡頭可實現(xiàn)光路清晰聚焦流場, 計算機控制ICCD相機實現(xiàn)圖像獲取, 并通過圖像處理獲得速度分布.

風(fēng)洞實驗段附近的測試儀器布置及光路如圖4所示.

圖4 測試儀器布置及光路示意圖Fig. 4 Sketch of instrument layout and optical path

標尺采用半透明的亞克力板制作, 表面有縱橫刻度的網(wǎng)格, 標尺板安裝在支撐座上, 其相對于噴管出口位置通過測量可確定. 實驗前通過ICCD相機拍攝的標尺圖像和像素的關(guān)系(見圖5), 橫向刻度可確定分辨率以計算電子束熒光隨流場的位置變化, 縱向刻度可確定測點位置, 該圖的分辨率為0.071 mm/像素.

圖5 標尺在ICCD的圖像Fig. 5 Ruler photo in the ICCD

2 脈沖電子束熒光測速結(jié)果及分析

本次實驗的主要設(shè)置參數(shù)如下: 同步控制器提供的脈沖頻率為50 kHz, 高低電平脈寬均為10 s, ICCD相機的增益為100, 曝光時間和拍攝間隔均為1 μs, 照片累積次數(shù)為50 000; 在實驗中對ICCD相機中照片累積次數(shù)進行了多次調(diào)試, 發(fā)現(xiàn)在照片累積次數(shù)為50 000獲得的圖像相對較為清晰. 選取其中t0=2 μs, Δt=4 μs的兩張圖像(見圖6)進行處理可獲得流場的速度分布.

圖6 電子槍停止工作2 μs和6 μs時的熒光束圖片F(xiàn)ig. 6 Fluorescence beam photo when the electron gun stops working for 2 μs and 6 μs

針對Ma=12型面噴管出口X=150 mm截面, 在一次穩(wěn)定的吹風(fēng)中采集了7次, 即采用同一參數(shù)進行了7次徑向速度分布測量, 圖7為7次測量的速度徑向分布結(jié)果, 圖8為徑向速度測量的重復(fù)性偏差, 可見測量速度結(jié)果波動較大, 大部分偏差在10%以內(nèi). 重復(fù)性偏差較大的原因主要為熒光弱、累積次數(shù)多, 給熒光準確位置的圖像判讀帶來偏差, 進而引起速度的較大波動. 以圖5的標尺和像素分辨率, 橫向一個像素點的判讀誤差, 在Δt=1 μs相當(dāng)于71 m/s的速度誤差, 這也是該方法測量結(jié)果波動大的原因之一. 為得到較為準確的值, 多次測量值取平均是通常的處理辦法.

圖7 速度分布7次重復(fù)測量結(jié)果Fig. 7 Seven measurement results of velocity distribution

圖8 速度7次重復(fù)測量偏差分布Fig. 8 Seven measurement results of velocity deviation distribution

計算7次徑向速度分布測量結(jié)果的標準偏差的分布如圖9所示, 最大值為45 m/s, 可作為速度測量結(jié)果的不確度, 徑向各測點速度測量的相對不確定度分布如圖10所示, 最大值為4%.

圖9 徑向各測點速度標準偏差分布Fig. 9 Standard deviation distribution of radial velocity

圖10 徑向各測點速度測量相對不確定度分布Fig. 10 Relative uncertainty distribution of radial velocity

3 4種方法獲得的速度比較

目前Φ0.3 m高超聲速低密度風(fēng)洞速度獲得手段有脈沖電子束熒光測速技術(shù)、 Pitot管測壓技術(shù)、 Rayleigh散射測速技術(shù)、 N-S/DSMC數(shù)值模擬4種手段. 表1給出了該實驗狀態(tài)Ma=12型面噴管出口X=150 mm截面軸線位置, 4種方法各自獲得的流場速度結(jié)果. 脈沖電子束熒光技術(shù)的測量值取為圖7中Y=0的7次測量值的平均值1 161 m/s; Pitot管測壓技術(shù)[15-17]的速度結(jié)果為1 144 m/s; Rayleigh散射測速[4]是非接觸的點測量技術(shù), 結(jié)果為 1 140 m/s; N-S/DSMC模擬是根據(jù)運行總溫、 總壓和噴管內(nèi)型面計算流場的參數(shù), 其計算結(jié)果為1 153 m/s. 以4種方法獲得的速度平均值作為參考, 其中脈沖電子束熒光技術(shù)測量的速度偏差為1 %.

表1 4種方法速度獲得結(jié)果比較

可見, 脈沖電子束熒光技術(shù)測量的速度與其他3種方法獲得的速度比較, 4種手段的相對偏差度均較小, 表明脈沖電子束熒光技術(shù)獲得流場速度的方法是可靠的.

4 結(jié)論

(1)脈沖電子束熒光技術(shù)是一種稀薄流場速度的非接觸測量手段, 也是一種直接測量手段, 原理清晰.

(2)脈沖電子束熒光圖像清晰度不足, 導(dǎo)致判讀誤差較大, 測量結(jié)果波動大, 7次重復(fù)性偏差約10%, 最大相對不確定度為4%; 后續(xù)主要是提高熒光強度和分辨率以及ICCD的收集效率, 減少累積誤差, 以降低波動, 提高重復(fù)性精度.

(3)脈沖電子束熒光技術(shù)獲得的流場速度結(jié)果與Pitot管測壓技術(shù)、 Rayleigh散射測速、 N-S/DSMC模擬的結(jié)果相比較, 偏差為1%.