超聲速混合層MHz級超高頻流動可視化實驗

岡敦殿, 易仕和, 米 琦, 陸小革

(國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院， 湖南長沙 410073)

引 言

高效摻混與燃燒組織技術(shù)是組合循環(huán)發(fā)動機急需突破的關(guān)鍵技術(shù)， 而發(fā)動機內(nèi)部的富燃燃氣與空氣混合過程可抽象為兩股超聲速氣流混合， 即形成超聲速混合層[1]。光學(xué)成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在大氣層中高速飛行時， 窗口與空氣之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生很高的溫度， 通常需要利用冷卻氣膜隔離外部高溫主流， 形成包含混合層、 邊界層、 激波及其相互干擾的復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)， 其引起的氣動光學(xué)效應(yīng)被廣泛研究[2-3]。混合層自身的發(fā)展過程涉及不穩(wěn)定性發(fā)展和湍流混合等階段， 具有高度的復(fù)雜性， 因此也獲得了理論界高度關(guān)注。

Ali等[4]采用數(shù)值方法研究了空氣和氫氣的混合過程， 關(guān)注兩股氣流平行或者非平行的混合狀態(tài)， 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩股氣流方向之間的夾角增大時， 可以促進動量能量交換， 進而增強混合。沈清等[5]采用數(shù)值和實驗方法證實展向渦結(jié)構(gòu)的流向間距等于流動最不穩(wěn)定波波長， 表明失穩(wěn)結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定波之間存在內(nèi)在聯(lián)系， 并總結(jié)提出了混合層流動增強技術(shù)。王兵等[6]采用LES方法對來流速度、 對流Mach數(shù)和密度比等進行了較詳細的研究， 觀察到了大尺度結(jié)構(gòu)及其運動發(fā)展過程， 結(jié)果表明， 隨著對流Mach數(shù)增加， 剪切層厚度增長速度和混合效率均會下降。郭廣明等[3，7-8]采用LES技術(shù)針對混合層密度分布以及氣動光學(xué)效應(yīng)開展了研究， 并關(guān)注了流動控制裝置在氣動光學(xué)效應(yīng)校正方面的應(yīng)用。實驗研究方面， 國防科技大學(xué)張冬冬[9]、 馮軍紅[10]、 趙玉新[11]采用基于NPLS技術(shù)及PIV技術(shù)對混合層流場流向、 展向平面渦結(jié)構(gòu)及其發(fā)展特性做了大量研究， 獲得了流場精細結(jié)構(gòu)以及氣動光學(xué)特性等。

超聲速、 高超聲速流動中各種尺度的結(jié)構(gòu)具有高度的非定常特性， 特征頻率在104～106Hz量級很常見[12-13]， 如圖1所示， 這使得獲取流場演化特性具有挑戰(zhàn)性。常規(guī)的流動可視化技術(shù)受限于光源和成像技術(shù)， 典型的在滿分辨率條件下采樣頻率只能達到10 kHz， 如高速紋影技術(shù)。如Leidy等[14]報道的采用高速紋影觀察高超聲速氣流與圓柱干擾流場， 在觀察范圍較小時， 幀率能達到240 kHz。Thurow等[12，15]開發(fā)了一種高速流動可視化系統(tǒng)， 使用自制的脈沖串激光系統(tǒng)、 高速ICCD相機， 達到500 000 f/s。Jiang等[16]研發(fā)了一套10 kHz級的CH PLIF系統(tǒng)， 并開展了火焰流場測試。李旭東等[13]， 梅峰[17]關(guān)注高速PLIF激光器技術(shù)， 并研制了脈沖串激光器， 實現(xiàn)了10 kHz的脈沖激光輸出。

圖1 不同湍流尺度速度對應(yīng)的頻率[12]Fig. 1 Characteristic frequency of large-scale turbulent motions as a function of length scale[12]

團隊研發(fā)了超高頻NPLS技術(shù)， 實現(xiàn)MHz級流場可視化和精細測量。本文采用該技術(shù)研究了對流Mach數(shù)Mac=0.17和Mac=0.26混合層流場， 以及有無流動控制裝置條件下的混合層流場， 獲取了流場時間序列的高分辨率圖像， 對流場渦結(jié)構(gòu)演化發(fā)展特性進行了分析。

1 超聲速混合層風(fēng)洞

超聲速混合層風(fēng)洞采用吸氣方式運行， 試驗段截面尺寸為100 mm×50 mm。風(fēng)洞主體由3部分組成： 穩(wěn)定段、 雙噴管與試驗段， 相應(yīng)的配套設(shè)備包括入口閥門、 總壓調(diào)節(jié)器以及真空設(shè)備等， 如圖2所示。風(fēng)洞穩(wěn)定段和噴管內(nèi)部均安裝隔板， 過渡段之后氣流即被分成兩股。雙噴管出口形成速度方向相同但大小不同的兩股氣流， 并發(fā)生剪切。穩(wěn)定段低速側(cè)安裝有總壓調(diào)節(jié)器， 可以連續(xù)衰減總壓， 從而實現(xiàn)雙噴管出口上層流動的壓力調(diào)節(jié)。

圖2 超聲速混合層風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the supersonic mixing layer wind tunnel

雙噴管結(jié)構(gòu)可通過更換不同的型面半噴管實現(xiàn)不同的對流Mach數(shù)， 如圖3所示， 低Mach數(shù)半噴管安裝在上側(cè)， 與總壓調(diào)節(jié)器配合使用， 高Mach數(shù)半噴管安裝在下側(cè)。隔板末端的厚度為0.1 mm。來流總溫T0=300 K， 高速側(cè)總壓為101 kPa， 低速側(cè)總壓P0的選擇根據(jù)壓力匹配計算得到。

根據(jù)等熵關(guān)系式、 聲速定義式和對流Mach數(shù)定義式可以計算噴管的對流Mach數(shù)

式中，U1，U2，a1，a2分別為高速側(cè)速度、 低速側(cè)速度、 高速側(cè)聲速以及低速側(cè)聲速。實驗中使用了兩個不同對流Mach數(shù)的雙噴管結(jié)構(gòu)， 對流Mach數(shù)分別為0.17和0.26， 超聲速混合層流場參數(shù)在表1中給出。文中報道的實驗均在混合層壓力匹配條件下進行， 即上下層流動靜壓相等。壓力匹配通過兩方面判斷， 一是穩(wěn)定段的壓力傳感器監(jiān)測低速半噴管入口總壓； 二是剪切流場初始段紋影圖像， 若壓力匹配， 則初始段剪切面為平直線條。

圖3 雙噴管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic view of the dual nozzle system

表1 超聲速混合層流場參數(shù)

實驗中為了控制混合層的剪切發(fā)展， 在隔板上沿末端粘貼鋸齒狀陣列型渦流發(fā)生器， 其尺寸及安裝位置與夏梓豪等[18]在論文中報道的一致， 如圖4所示。

圖4 渦流發(fā)生器示意圖[18]Fig. 4 Schematic diagram of the vortex generator array[18]

采用超高頻NPLS技術(shù)獲取混合層流場的時空演化特性， 系統(tǒng)布置如圖5所示。激光片光照亮混合層流場流向平面， 流場中均勻撒播有示蹤粒子， 高速相機捕捉粒子散射光進而獲得流場結(jié)構(gòu)。

2 超高頻NPLS技術(shù)

2.1 系統(tǒng)原理

在(高)超聲速飛行器湍流與復(fù)雜流動的研究中， 高時空分辨率的流場精細測試技術(shù)是十分重要的研究課題。團隊十余年前開發(fā)了基于NPLS技術(shù)[19]， 其核心是采用納米粒子作為示蹤粒子， 具有高時空分辨率和高信噪比的特點。常規(guī)NPLS系統(tǒng)由計算機、 同步控制器、 CCD相機、 雙腔脈沖激光光源、 納米粒子發(fā)生器、 導(dǎo)光臂和片光組件等構(gòu)成。粒子發(fā)生器和撒播裝置能夠為流場提供均勻的納米示蹤粒子， 跟隨各種尺度的流動結(jié)構(gòu)， 雙腔激光器發(fā)出脈沖激光照明流場中的納米粒子， 相機捕獲粒子散射光進而獲得流場結(jié)構(gòu)。NPLS技術(shù)在超聲速和高超聲速流場測試中獲得了大量應(yīng)用， 包括混合層[20]、 邊界層[21]、 激波邊界層干擾以及氣動光學(xué)[22]研究等。

圖5 風(fēng)洞和測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig. 5 Photo of the experimental system

但受限于雙腔激光器和跨幀CCD相機的重復(fù)頻率， 傳統(tǒng)的NPLS技術(shù)無法獲得時間序列的流場高分辨率圖像， 進而無法獲得流場在一段時間內(nèi)的發(fā)展演化特性。如圖6所示為何霖[23]獲得的超聲速平板邊界層流動可視化圖像， 可以清晰觀察到流動結(jié)構(gòu)在5 μs時間內(nèi)的演化情況， 但是無法獲得整個時間歷程的演化發(fā)展特性， 即5， 10 μs之后的發(fā)展情況無法獲知。

高能脈沖激光器、 高精度同步控制器和高分辨率高速相機的性能日新月異， 基于此(高)超聲速流動的湍流精細結(jié)構(gòu)時間分辨的測試成為實際可能。國防科技大學(xué)研究團隊提出利用多腔脈沖YAG光器并聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)對流場MHz重復(fù)頻率的照明， 高分辨率高速成像系統(tǒng)捕捉納米粒子散射光， 通過同步控制器實現(xiàn)激光片光出光和同步成像， 進而實現(xiàn)MHz重復(fù)頻率的高速流場精細結(jié)構(gòu)的可視化， 如圖7所示。

(a) t0

(b) t0+5 μs圖6 超聲速邊界層NPLS圖像Fig. 6 NPLS images of the supersonic boundary layer

圖7 超高頻NPLS系統(tǒng)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the superhigh frequency NPLS system

2.2 八腔并聯(lián)激光技術(shù)

激光器系統(tǒng)由八腔激光器本體、 集成電源和冷卻系統(tǒng)等組成， 運用激光偏振技術(shù)、 激光倍頻技術(shù)和合束技術(shù)等， 解決八腔激光的高精度合束等問題， 使得在激光輸出時形成MHz重復(fù)頻率激光脈沖。圖8為成功研制的八腔激光器實物照片， 該激光器每個腔體的工作物質(zhì)均為摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體。

圖8 八腔并聯(lián)脈沖激光器Fig. 8 Photo of the 8-cavity laser system

激光器各通道輸出激光脈沖最小時間間隔達到100 ns， 工作頻率達到10 MHz， 單脈沖能量超過300 mJ。圖9為激光器以100 ns的時間間隔輸出八脈沖的時序分布， 脈沖時間和間隔穩(wěn)定。圖10為八脈沖片光合束測試照片， 多個脈沖片光入射在同一張激光感光紙上， 激光感光紙和片光組件在整個過程中保持位置不變。各個片光相互重合， 表明合束情況良好。

圖9 八腔激光器脈沖時序測試(100 ns間隔)Fig. 9 Test of the 8-cavity laser pulses (100 ns interval)

圖10 激光器輸出片光合束測試Fig. 10 Detection results of the beam combination

2.3 超高幀頻高速相機技術(shù)

為使相機在高幀頻條件下仍然具有1M像素以上的分辨率， 團隊研制了一臺超高幀頻高速相機。采用8臺短曝光相機沿周向分布， 基于八棱錐分光， 如圖11所示。每臺相機配備獨立的角度和位移機構(gòu)， 確保通過精細調(diào)節(jié)后每個相機拍攝到的圖像基本一致。短曝光相機的最短曝光時間可達1 μs， 獲得的8張時間相關(guān)圖像， 其理論最短相鄰幀時間間隔為1 μs。由于采用棱錐分光模式， 每個激光腔發(fā)出脈沖時各個相機通道均能接收到光線， 因此必須嚴格控制相機曝光時間和時序， 確保各相機只在對應(yīng)激光脈沖出光時曝光。通過電路并聯(lián)設(shè)計和高精度同步控制， 實現(xiàn)MHz級超高幀頻納米散射序列成像， 并且成像分辨率達到1 392 pixels×1 040 pixels。

圖11 超高幀頻相機照片F(xiàn)ig. 11 Picture of the high-speed camera

進一步地， 在開展試驗時， 為準確定位相機的拍攝位置、 校準圖像參數(shù)， 通常采用棋盤格標(biāo)定圖像， 以對圖像的畸變進行修正。

2.4 超高頻NPLS系統(tǒng)性能測試

超高幀頻高速相機由同步控制器觸發(fā)， 通過USB數(shù)據(jù)線與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸， 相機曝光時會輸出高電平信號。同步控制系統(tǒng)對多個激光脈沖時間、 相機開始曝光時間等進行控制， 如圖12所示。

圖12 超高頻NPLS系統(tǒng)時序圖Fig. 12 Timing chart of the superhigh frequency NPLS system

通過調(diào)試， 自研高速相機各項功能正常， 能夠有效保證在激光出光時特定通道相機曝光。圖13為檢驗相機和激光器的同步情況， 示波器中黃色線尖峰代表光電探測器檢測到的激光脈沖， 藍色線為相機曝光信號， 通過軟件設(shè)置延時， 可以很好地保證激光脈沖和相機曝光的同步。由此將NPLS技術(shù)升級為MHz級的超高頻NPLS技術(shù)， 能夠獲取相鄰圖像極限時間間隔為1 μs的序列圖像， 實現(xiàn)對流場動態(tài)演化過程高時間分辨的記錄和測量。該系統(tǒng)可進行MHz量級超高頻(高)超聲速湍流與復(fù)雜流動精細結(jié)構(gòu)可視化測試， 數(shù)據(jù)處理后可獲得速度場等定量數(shù)據(jù)。

圖13 示波器檢驗相機曝光時間和激光脈沖同步Fig. 13 Synchronization test of the exposure and laser pulse

3 混合層實驗結(jié)果與分析

實驗中坐標(biāo)系定義如下： 以噴管段隔板后緣中心為原點， 向下游平行于流動方向為x軸正方向， 垂直于隔板向上為y軸正方向。

3.1 超聲速混合層流動結(jié)構(gòu)及演化特點

超聲速混合層的發(fā)展存在失穩(wěn)過程以及湍流狀態(tài)， 圖14為Mac=0.17混合層流場NPLS圖像， 對應(yīng)的拍攝長度為200 mm。在混合層發(fā)展的初始階段， 由于兩股氣流之間存在大的速度剪切， 與不可壓縮情形相類似， 在NPLS圖像上混合界面呈現(xiàn)為一條平直線條； 隨著流動向下游發(fā)展， 出現(xiàn)了Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性導(dǎo)致的界面失穩(wěn)， 逐漸出現(xiàn)規(guī)則卷起的具有一定波長的渦結(jié)構(gòu)， 夏梓豪等[18]根據(jù)NPLS圖像測出了來流參數(shù)基本相同條件下的波長為9.1 mm。在這一階段， 渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的主要是平移特性， 伴隨著一定的旋轉(zhuǎn)和剪切變形。進一步的流場失穩(wěn)導(dǎo)致了大尺度結(jié)構(gòu)逐漸破碎， 對應(yīng)于x>180 mm的區(qū)域， 在規(guī)則渦結(jié)構(gòu)的周邊出現(xiàn)小尺度結(jié)構(gòu)， 混合層上下層不同速度大小的氣流能量交換更加強烈， 加速流動的混合過程。

圖14 Mac=0.17混合層流場NPLS圖像Fig. 14 NPLS image of the Mac=0.17 mixing layer

需要明確的是， NPLS圖像反應(yīng)的是某一時刻的流場， 而混合層剪切流動本身具有非定常特性， 包括失穩(wěn)起始位置、 波長等參數(shù)均應(yīng)基于大量的數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析。本研究主要基于超高頻NPLS獲得的時間相關(guān)流動可視化圖像開展渦結(jié)構(gòu)演化的定性研究。

3.2 不同對流Mach數(shù)混合層流場演化過程

圖15, 16給出了Mac=0.17, 0.26兩個對流Mach數(shù)的混合層NPLS序列圖像， 相鄰圖像的時間間隔分別為12, 8 μs， 根據(jù)時間序列圖像可以判斷分析不同位置渦結(jié)構(gòu)隨時間的演化。由于超高頻NPLS技術(shù)的突出優(yōu)勢在于獲取時間相關(guān)圖像， 因此文中更側(cè)重于選取某一個時刻的典型結(jié)構(gòu)研究其發(fā)展特性。

圖15 Mac=0.17混合層流場時間序列NPLS圖像Fig. 15 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer

混合層中、 后段， 沿流向的運動仍然主導(dǎo)著整體的流動形態(tài)。但在不穩(wěn)定性以及摻混的綜合影響下，y方向速度呈現(xiàn)周期性的變化， 渦結(jié)構(gòu)也存在明顯的旋轉(zhuǎn)和變形。趙玉新根據(jù)PIV數(shù)據(jù)判斷， 下層流體向上卷起的速度要高于上層流體向下翻轉(zhuǎn)的速度， 其主要原因在于下層流體密度高、 速度快， 所攜帶的能量與動量更高[11]。對比圖15, 16， 更高的對流Mach數(shù)意味著上下層之間的主流速度差異更大， 相應(yīng)的流場也呈現(xiàn)出明顯不同的特性。對流Mach數(shù)越大， 失穩(wěn)階段的長度更短， 以小尺度渦結(jié)構(gòu)為主的湍流摻混現(xiàn)象更為顯著。

圖16 Mac=0.26混合層流場時間序列NPLS圖像Fig. 16 A sequence of NPLS images of the Mac=0.26 mixing layer

圖15, 16中標(biāo)注了A， B， C和E 4個典型的渦結(jié)構(gòu)， 其中A， E結(jié)構(gòu)通過虛線連接了不同時刻的同一結(jié)構(gòu)， 各個時刻的結(jié)構(gòu)均能對應(yīng)到這條直線上， 印證了渦在混合層前段和中段最明顯特征為平移。分析渦結(jié)構(gòu)B在不同時刻的特征， 在t0～t0+48 μs主要特征為平移和一定程度的拉伸； 隨著繼續(xù)向下游發(fā)展， 呈現(xiàn)了更顯著的順時針旋轉(zhuǎn)剪切和拉伸， 并且伴隨著渦結(jié)構(gòu)破碎， 這些特點在t0+60 μs～t0+84 μs期間可以觀察到。

針對渦結(jié)構(gòu)C， 由于接近混合層的后段， 對應(yīng)于失穩(wěn)階段的末端， 不穩(wěn)定性增強， 能量交換更為劇烈。在t0～t0+36 μs時間段內(nèi)， 平移依然主導(dǎo)， 但是出現(xiàn)了一定程度的破碎。當(dāng)接近x=180 mm時， 渦結(jié)構(gòu)C破碎明顯， 大量小尺度結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)， 結(jié)合圖14也可判斷此時混合層失穩(wěn)階段接近尾聲。

對于較低的對流Mach數(shù)Mac=0.17， 流動結(jié)構(gòu)周期性演化明顯， 序列圖像渦結(jié)構(gòu)整體相似度高?；趫D像互相關(guān)算法通過判斷最大相關(guān)系數(shù)， 可以得到渦結(jié)構(gòu)的運動位移信息。如圖17所示， 選取某一時刻圖像的特定區(qū)域作為基準， 即可在時間相關(guān)圖像中獲取最佳匹配區(qū)域， 從而得到渦結(jié)構(gòu)位移。根據(jù)圖15所示時間序列圖像計算得到在84 μs的時間間隔內(nèi)， 流動結(jié)構(gòu)整體向下游運動了50 mm， 對應(yīng)的平均速度為595 m/s。進一步地， 基于500張不同時刻圖像的統(tǒng)計分析， 相鄰渦結(jié)構(gòu)之間距離均值為14 mm， 可認為該條件下的波長為λ=14 mm。基于波長和速度信息， 得到Mac=0.17剪切流動的典型頻率特征為42.5 kHz。

圖17 采用互相關(guān)算法計算渦結(jié)構(gòu)位移Fig. 17 Calculation of vortex structure displacement using cross-correlation algorithm

3.3 微型流動控制裝置對混合層發(fā)展影響分析

在隔板上沿安裝陣列型渦流發(fā)生器流動控制裝置， 使得沿隔板上表面發(fā)展的邊界層與上側(cè)噴管內(nèi)自由流中的高動量流體交換能量， 邊界層剖面更加飽滿。對比圖15, 18可以發(fā)現(xiàn)， 有流動控制條件下， 不穩(wěn)定波主導(dǎo)的失穩(wěn)階段長度明顯縮短。以標(biāo)注的渦結(jié)構(gòu)D為例， 其t0時刻位置與圖15的B基本一致， 但是經(jīng)過56 μs的發(fā)展， 渦結(jié)構(gòu)D結(jié)構(gòu)變形明顯， 并且發(fā)生了顯著破碎。

另外， 發(fā)現(xiàn)了各種尺度結(jié)構(gòu)的運動規(guī)律具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性， 如前文所述， 混合層前段以平移、 剪切為主， 中段以K-H不穩(wěn)定性的發(fā)展為主。針對渦結(jié)構(gòu)D， 可以觀察到在各個時刻發(fā)生的主要是平移和一定程度的旋轉(zhuǎn)。但是觀察渦梢部兩側(cè)的小尺度結(jié)構(gòu)， 隨著時間發(fā)展， 其均在向各自的方向發(fā)生向兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)拉伸。也就意味著， 剪切面的大尺度結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方向相對確定， 但是兩層流動的摻混也導(dǎo)致了明顯的非定常特性， 大尺度結(jié)構(gòu)及其小激波也會誘導(dǎo)小尺度結(jié)構(gòu)， 使其的運動特性高度非定常。

圖18 Mac=0.17有流動控制混合層流場時間序列NPLS圖像Fig. 18 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer with vortex generators

4 結(jié)論

本文首次采用MHz級超高頻NPLS技術(shù)研究了超聲速混合層的時間演化特性， 獲得了不同對流Mach數(shù)、 有無微型流動控制裝置條件下的混合層流場序列圖像。超高頻NPLS技術(shù)由八腔激光器、 多短曝光相機集成的超高幀頻相機以及高精度多通道同步控制技術(shù)等組成， 成功實現(xiàn)MHz級高分辨率流場可視化。對于Mac=0.17, 0.26混合層流場， 對比了混合層的層流段長度、 失穩(wěn)段、 渦結(jié)構(gòu)形態(tài)， 選取了一些典型的渦結(jié)構(gòu)作為參考， 發(fā)現(xiàn)不同位置的渦結(jié)構(gòu)隨時間的發(fā)展存在明顯差異。在較低的對流Mach數(shù)條件下， 不穩(wěn)定性發(fā)展階段能維持更長的空間距離?；旌蠈又卸蔚牟环€(wěn)定性發(fā)展階段， 渦結(jié)構(gòu)以平移和旋轉(zhuǎn)為主， 伴隨一定的拉伸； 混合層后段則以變形和破碎為主。對于渦結(jié)構(gòu)特征明顯的Mac=0.17混合層， 基于互相關(guān)算法得到位移， 基于多張瞬態(tài)圖像獲取平均波長， 發(fā)現(xiàn)該剪切流動的特征頻率約為42.5 kHz。在有流動控制裝置的條件下， 不穩(wěn)定性發(fā)展階段的長度受到一定的抑制。并且受到剪切、 大尺度結(jié)構(gòu)以及小激波的影響， 小尺度結(jié)構(gòu)的運動存在高度非定常特性。