一种高焓流场光电特性辨识装置及方法与流程

1.本发明属于高焓激波风洞工程技术领域，特别涉及一种高焓流场光电特性辨识装置及方法。


背景技术：

2.飞行器进入地球、火星等行星大气时，周围气体通过激波加热或者黏性阻滞作用，会产生数千度甚至上万度的高温，引起气体分子振动能激发、离解、复合和电离，飞行器周围气体呈现高温气体属性，使得气体分子的物理属性和流场特性发生显著改变。高温效应主要表现在如下三个方面：1)气体的分子和原子能量激发和化学反应吸收了大量的能量，会降低流场的温度和改变压力梯度，从而改变了飞行器的受力、受热环境；2)高温下热化学反应产生的离子和电子形成的等离子鞘套，对飞行器的无线通讯产生屏蔽作用，导致黑账现象；3)高温下气体原子和分子的能级跃迁产生光子辐射，光辐射现象导致飞行器光学特性发生改变，严重的光辐射可以改变飞行器的热环境。飞行器及其尾流的光电特性还对目标的识别、监视、跟踪及拦截产生影响。高温中由于密度低、飞行速度快，非平衡效应占主导地位。飞行器的光电特性由于其重要性和复杂程度，一直是空气动力学研究的前沿课题，因而有必要继续深入开展对高焓流场光电特性的辨识研究，为飞行器目标的识别、监视、跟踪及拦截提供一种经过地面试验验证的可行思路。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，通过单次试验即可获得模型周围流场组分连续光谱信息，进而获得模型周围流场的紫外、可见光和红外的光辐射强度，还可以获得流场的振动温度和各分子的组分信息，从而完成本发明。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.第一方面，一种高焓流场光电特性辨识装置，包括模型1、高焓激波风洞、测试光路系统及数据处理系统；其中，所述高焓激波风洞包括喷管、试验段和激波管，所述激波管与下游的喷管和试验段依次连通，激波管中增温增压后的试验气体流过喷管形成高焓气体，高焓气体进入试验段后流过模型；试验段上设置有多个光学窗口，光学窗口通过光学玻璃ii封闭；
6.所述模型为大钝头或者平头结构，内部不同位置安装多个光电探头(图2)，用于采集模型表面的光谱信息；
7.所述测试光路系统布置在试验段外且基于光谱仪搭建，包括光电探头ii、光栅和光谱仪，所述光电探头ii透过试验段的光学窗口采集模型表面的光谱信息，光电探头ii与光电探头i的数目相同，其采集光路与光电探头i的采集光路在模型表面相交；光电探头ii采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪，光电探头i将采集的光谱信息发送至光谱仪，光谱仪用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息发送至数据处理
系统进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。
8.第二方面，一种高焓流场光电特性辨识方法，包括如下步骤：
9.入射激波到达激波管末端后触发压力传感器，激波管末端传感器产生的触发信号启动光谱仪工作；
10.光电探头ii与光电探头i的数目相同，两者的采集光路在模型表面相交，分别采集模型表面的光谱信息；
11.光电探头ii采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪，光电探头i将采集的光谱信息发送至光谱仪，光谱仪用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息通过光纤发送至数据处理系统，进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。
12.根据本发明提供的一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，具有以下有益效果：
13.本发明提供的一种高焓流场光电特性辨识装置及方法，为飞行器目标的识别、监视、跟踪及拦截提供一种经过地面试验验证的可行思路，不仅仅一次试验能获得模型周围多处流场组分连续光谱信息，进而获得模型周围流场的紫外、可见光和红外的光辐射强度，还可以获得流场的振动温度和各分子的组分信息。
附图说明
14.图1为高焓流场光电特性辨识装置的示意图；
15.图2为安装光电探头的模型的结构示意图；
16.图3为光电探头ii测得的光谱信息；
17.图4为光电探头i测得的光谱信息。
18.附图标号说明
19.1-模型；2-光电探头i；3-光学玻璃i；4-喷管；5-试验段；6-光电探头ii；7-光栅；8-光学玻璃ii；9-光谱仪；10-数据处理系统；11-激波管。
具体实施方式
20.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
21.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
22.根据本发明的第一方面，提供了一种高焓流场光电特性辨识装置，如图1所示，包括模型1、高焓激波风洞、测试光路系统及数据处理系统；其中，
23.所述高焓激波风洞包括喷管4、试验段5和激波管11，所述激波管11与下游的喷管4和试验段5依次连通，激波管11中增温增压后的试验气体流过喷管4形成高焓气体，高焓气体进入试验段5后流过模型1；试验段5上设置有多个光学窗口，光学窗口通过光学玻璃ii 8封闭；
24.所述模型1为大钝头或者平头结构，内部不同位置安装多个光电探头2(图2)，用于
采集模型表面的光谱信息；
25.所述测试光路系统布置在试验段5外且基于光谱仪9搭建，包括光电探头ii 6、光栅7和光谱仪9，所述光电探头ii 6透过试验段5的光学窗口采集模型表面的光谱信息，光电探头ii 6与光电探头i 2的数目相同，其采集光路与光电探头i 2的采集光路在模型表面相交(即试验段外的采集光路和模型1内的采集光路在模型表面相交)；光电探头ii 6采集的光谱信息经光栅7处理后发送至光谱仪9，光电探头i 2将采集的光谱信息发送至光谱仪9，光谱仪9用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息发送至数据处理系统10进行对比融合，再结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得模型表面高焓流场的光电特性。
26.在一种优选的实施方式中，所述模型1上对应光电探头i 2的安装位置安装有光学玻璃i 3，所述光学玻璃i 3对流场光谱不吸收和不反射，表面抛光，与模型配合加工，结合处表面光滑过渡。
27.在一种优选的实施方式中，所述光电探头i 2与光谱仪9之间也可以安装光栅，采集的光谱信息经光栅处理后发送至光谱仪9。光谱仪(9)记录的光谱信息iv是通过流动区域的某一路径的积分效应。由于模型1位于喷管(4)轴线上，则流场在模型表面的流动为轴对称流动，对于轴对称流动，则有：
[0028][0029]
其中，r为流动截面的半径，即光电探头发射的光谱达到的距离；r为径向坐标，即从起始点达到r之间的路径，x为起始点坐标，即光电探头所在位置。对于轴对称流动或者复杂的三维流动，都可建立类似于上述轴对称流动的积分方程式，并且都发展了求解光谱发射率εv的数值方法。
[0030]
光谱发射率εv是谱线轮廓和仪表函数的卷积，即
[0031][0032]
式中a，b——连续谱的截距和斜率；
[0033]
ν0——测量谱内选定的参考谱线的中心频率；
[0034]
ε
lk
——谱段内第k条谱线的总发射率；
[0035]
pk(k)——谱段内第k条谱线的轮廓函数；
[0036]
s(v)——仪表函数；
[0037]
ν——谱线频率；
[0038]
ν”——高振动态频率；
[0039]
ν'——低振动态频率。
[0040]
在一种优选的实施方式中，所述高焓流场由高焓激波风洞产生，高焓激波风洞能够复现高温高压的飞行环境，高焓喷管4出口提供纯净的试验气体，试验气体可以为空气、二氧化碳和纯净氮气等，试验气体总温超过3000k。
[0041]
在一种优选的实施方式中，所述激波管11的末端安装有压力传感器，试验气体到达激波管11的末端时触发压力传感器，由压力传感器产生的触发信号启动光谱仪9工作。
[0042]
本发明中，光谱仪9不仅仅能够测得流动的紫外光谱、可见光光谱和红外光谱，还
能够得到流场的振动温度和组分信息。具体地，利用双线法测量振动温度tv，用某一元素的两条谱线发射强度进行计算tv:
[0043][0044]
式中，e1和e2分别是两条谱线的激发电位，cm-1
；λ1、λ2为两线的波长，nm；i1和i2为其相对强度；a1和a2分别为两线自发光跃迁概率；系数0.6247与激发电位所用单位有关，如用电子伏特(ev)为单位，则系数应为5040。
[0045]
将得到的光谱信息(式1)，利用lomakin公式和内标法配合，能获得不同组分成分的定量测量，根据boltzmann分布定律，获得boltzmann分布图谱。
[0046]
本发明中，光谱仪采集到两路流场信息，经分子光谱检测及数据处理系统10，结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术，获得高焓流场光电特性。具体地，本发明采用两种测量角度采集流场光电特性：一种是从周围流场外进行光路聚焦采集；一种是在模型表面安装小型石英玻璃观察窗，实现从模型表面测量，避免流场干扰，并且聚焦光路于模型前段表面位置。
[0047]
在一种优选的实施方式中，数据处理系统(10)采用最小二乘法确定出连续谱亮度、谱线总发射率、多普勒发射率、多普勒宽度、以及色散半宽度等物理量值，得到不同能级分子光谱数据。
[0048]
在一种优选的实施方式中，多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术的控制方程为三维非平衡navier-stokes方程：
[0049][0050]
式中u为守恒量矢量，f、g、e分别为直角坐标系各方向上的对流通量矢量，fv、gv、ev为各方向上的黏性通量项，w为化学反应和振动能量源项矢量，qr为辐射通量的散度项，x、y、z为坐标轴，t为时间。
[0051]
根据本发明的第二方面，提供了一种高焓流场光电特性辨识方法，具体过程如图1所示，包括如下步骤：
[0052]
当入射激波到达激波管11末端后，激波管11末端传感器产生的触发信号使得光谱仪9工作；
[0053]
光电探头ii 6与光电探头i 2的数目相同，两者的采集光路在模型表面相交，分别采集模型表面的光谱信息；
[0054]
光电探头ii 6采集的光谱信息经光栅7处理后发送至光谱仪9，光电探头i2将采集的光谱信息发送至光谱仪9，光谱仪9用来记录流动气体沿一定方向所发射的光谱信息，将两路光谱信息通过光纤发送至数据处理系统10进行对比融合，经处理后获得流场的光谱信息，图3和图4为模型表面处在总温4050k、总压20.3mpa测量结果，可以清晰看到光谱在500～600nm都存在峰值。结合多组分多温度模型的非平衡数值模拟技术进行对比验证，获得模型表面高焓流场的光电特性。
[0055]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并
不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0056]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。