易仕和[1]2003年在《超声速自由漩涡气动窗口及其光学质量的研究》文中研究指明高能气动激光器或高能化学激光器是目前高能激光武器中最有发展前途的高能激光光源之一。由于其激光工作介质是气体，而且激光腔内的压力与外界环境压强相差很大，激光束的输出窗口必须密封。由于晶体材料窗口不可避免的部分吸收作用，对于目前几十万瓦甚至兆瓦级的高能激光器来说，晶体窗口会产生热畸变甚至炸裂，从而影响输出光束质量甚至使激光器根本无法工作。自由旋涡气动窗口是利用流体微团作自由旋涡运动的离心力来平衡大气与光腔压力差，来作为高能激光束的输出窗口。 本文研究的基本思路是对自由漩涡气动窗口原理和设计方法进行研究，利用等熵关系对自由漩涡流场进行射流设计；利用特征线方法对非对称的自由旋涡喷管进行设计。为验证设计的有效性，利用数值方法对非对称喷管流场、自由漩涡气动窗口流场进行数值研究。由于粘性的影响和实际的运行条件，由此而带来的一些问题则通过实验方法解决。 本文首先介绍了高能激光在军事上和工业上的重要性以及气动窗口在高能激光系统中的关键作用，介绍了国内外气动窗口的研究概况和超声速自由漩涡气动窗口的独特优势。分析了气动窗口研究可能遇到的气动问题和光学问题，提出了发展超声速剪切层光学技术并应用于气动窗口研究的重要性。分析了超声速剪切层光学技术的数值研究和实验研究可能遇到的难点问题。 研究了超声速自由旋涡气动窗口的原理和结构，对自由旋涡气动窗口流场的参数分布进行了详细推导，得到了气动窗口自由旋涡流场的压力、密度、温度和马赫数等参数在自由漩涡射流中的分布；对超声速自由漩涡气动窗口工作气体的质量流率进行了计算与讨论。提出了自由漩涡射流的设计方法和设计过程。对扩压器的压力恢复进行了分析和研究，得到了总压P_0值的选择方法。 研究了超声速自由旋涡喷管的设计方法，这种喷管的出口参数是自由旋涡分布。利用特征线方法推导了这种自由旋涡喷管的设计过程。对喷管对称段的SSL-MLN设计方法进行了改进和优化；改进的设计方法中，吼部采用圆弧过度，改善了流场品质，同时喷管长度小。编制了自由旋涡喷管设计软件，对几种典型的自由旋涡喷管的壁面型线进行了设计；对设计的自由漩涡喷管流场进行了数值研究，数值研究表明，本文设计的喷管出口流场获得了自由漩涡射流的流动参数分布。对自由漩涡流场进行了数值研究，得到了流场的密度、马赫数、速度等参数在气动窗口中的分布。 对超声速自由旋涡气动窗口流场的气动光学性能进行了研究，对光线在自由旋涡流场中的传播轨迹进行计算，分别求解出了光线沿着其轨迹的光程差分布，分析了自由旋涡气动窗口对透射的光束产生的气动透镜效应。为了对超声速剪切层光学性能进行优化设计，提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出并设计了两 国防科学技术大学研究生院学位论文种类型的折射率匹配剪切层，即按照某种比例混合的无殆阴r混合气体作为自由漩涡射流的工作气体实现折射率匹配剪切层，和选用加热到某个温度的干燥空气作为自由漩涡射流工作气体实现折射率匹配剪切层。 对超声速自由旋涡气动窗口进行了工程设计和实验研究，建立了一套超声速自由旋涡气动窗口的实验装置和配套的参数测量系统。对气动窗口的自由旋涡喷管、扩压器的结构以及各部件的相对位置进行了实验研究;对设计的气动窗口的气动结构、密封性能、启动性能、光学质量等进行了实验测试和分析。研究表明，本文设计的自由漩涡气动窗口经过调试可以在设计状态下运行，而且具有良好的启动性能和密封性能。自由漩涡气动窗口在设计状态下运行时，实验测得了自由漩涡射流的马赫数、皮托压力、静压随半径的分布和设计值很好地一致;气动窗口喷管前室压力在设计压力(IOatm)附近变化时，不会对密封压力造成明显的影响(这一点在激光机载应用时很重要)。当气动窗口的喷管前室压力为设计压力附近时，光学质量相对较好;当来流喷管前室压力明显偏离设计总压时，光学质量变差。为了防止气流通过侧壁边界层渗漏到光腔而引起气动窗口的气动性能和光学性能的下降，提出了防漏片的设计方法，研究了防漏片的厚度对气动窗口的气动性能和光学性能的影响。实验发现，安装防漏片后，气动窗口的密封性能和光学性能明显改善，对于本文设计的气动窗口来说，加上Zmm厚度的防漏片可取得一箭双雕的效果。对扩压器的研究表明，扩压器的形状和位置对气动窗口的性能有很大影响。对于本实验的气动窗口，只有选择适当扩压器参数值时，气动窗口的密封性能和光学性能才能达到设计要求。对气动窗口进行了激光透射实验、干涉实验、纹影实验，得到了相应的实验图像和R:等参数。实验表明，在喷管出口下游较远处，剪切层对沿光轴传播的光线干扰较大，射流上游区域剪切层较薄，对沿光轴传播的光线干扰很小;激光的远场透射光斑表明，气动窗口的射流剪切层流场对透射激光有一定的散焦效果。采用了纹影仪、激光透射远场光斑测量系统和差分干涉仪系统等作为光学质量参数的测量手段，设计了图像处理
易仕和, 侯中喜, 赵玉新[2]2004年在《超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究》文中研究指明在超声速自由旋涡气动窗口应用中,高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的,激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变,优化超声速剪切层光学性能,提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法,讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He/Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层,以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。
赵玉新[3]2008年在《超声速混合层时空结构的实验研究》文中进行了进一步梳理本文设计了层流化、低噪声运行的超声速混合层风洞,开发了一种新的超声速流动定量成像技术。以该风洞和成像技术为基础,从时空结构、信号特征、动力学行为和光学传输特性的角度对混合层流场进行了深入的研究。提出了超声速混合层风洞的气动与结构设计方法。为保证风洞喷管的层流化运行,提出了基于B-样条曲线的可调型面喷管设计方法,并以数值模拟技术验证了设计方法的可靠性。采用纹影仪和压力测量系统对所设计的风洞进行了调试与流场校测,结果表明:风洞低速层压力可连续调节,形成了层流化、压力匹配的超声速混合层,且实验段的结构便于定量流动成像技术的实施。为解决当前超声速混合层精细结构测量和流动显示所面临的问题,提出了基于纳米粒子的平面激光成像技术(NPLI)并进行了系统的研究。该项技术采用纳米粒子作为示踪粒子,以脉冲平面激光作为光源,能够实现超声速复杂流场结构的高时空分辨率和高信噪比成像。对影响NPLI系统性能的因素进行了深入探讨。研究了纳米粒子在超声速流场中的跟随性,并采用斜激波校准方法测量了粒子直径。根据光散射理论,分析了纳米粒子的激光散射性能。结果表明,NPLI方法比其它粒子成像方法有更好的示踪性能,比基于分子成像的方法有更高的光散射强度,满足了超声速流动成像对跟随性和信噪比的双重要求。NPLI技术和设备为超声速混合层实验研究提供了重要的技术支持。流向NPLI实验图像展现了超声速混合层从层流到涡结构产生、发展直至破碎的整体结构,并且在展向NPLI图像中发现了一种新的涡结构。通过对大量NPLI图像的比较与分析,深入研究了混合层流场的空间结构和时间演化特性。研究结果表明:来流流场品质对混合层流向结构有十分重要的影响;混合层的叁维涡结构具有快运动、慢变化的特征;压力不匹配混合层流场中存在激波与边界层、涡结构相互作用的现象。流动控制实验表明,单波长和叁维扰动片具有明显的混合增强功能。根据NPLI技术的特征,提出了一种超声速流动密度场测量的新方法,实现了混合层密度场的高分辨率定量测量,并根据混合层涡结构的空间特征对密度场进行了叁维近似重构。采用傅里叶变换和小波变换技术,实现了混合层密度脉动信号的频谱与多分辨率分析,结果表明:信号的频域特性与流场的涡结构相对应,不同层面的离散小波系数反映了不同尺度下信号与图像的细节和平滑近似特征,连续小波变换系数图定性的反映了信号的自相似特征。NPLI图像的高分辨率特征为超声速混合层的分形研究提供了有力的实验数据支持。研究结果表明:混合界面在不同尺度下具有很好的自相似性;分形维数可定量的度量混合界面的破碎程度;在完全发展的混合层中,虽然流场结构各不相同,但其分形维数基本不变。分析了超声速PIV系统的硬件及算法应具备的性能。利用NPLI系统的粒子发生系统解决了超声速PIV技术的粒子跟随性问题。以该系统为基础,研究了超声速混合层的速度场结构,结果表明:超声速混合层前段主要受来流边界层的影响,体现为速度的剪切;中段涡卷起的区域具有周期性的结构;涡结构向混合层两侧翻转的速度是非对称的;相对速度矢量图和对应的流线图所反映的拓扑结构与原始粒子图像相对应。背景纹影技术(BOS)是新近提出的一种定量流动成像技术,本文通过分析BOS系统的基本原理、工作方式和误差来源,开发了可用于超声速流场结构及其气动光学特性分析的BOS装置。以该装置为基础,研究了混合层密度梯度场的空间结构和时间演化特征。结果表明:不同对流马赫数的混合层流向和展向BOS图像均具有周期性的结构,体现了流场造成的气动光学畸变特征;时间相关BOS图像反映了涡运动造成的气动光学抖动效应。
参考文献：
[1]. 超声速自由漩涡气动窗口及其光学质量的研究[D]. 易仕和. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2003
[2]. 超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究[J]. 易仕和, 侯中喜, 赵玉新. 流体力学实验与测量. 2004
[3]. 超声速混合层时空结构的实验研究[D]. 赵玉新. 国防科学技术大学. 2008