一种超声速流动二维马赫数分布场测量系统及方法与流程

本发明涉及超声速气流参数测试，尤其涉及一种超声速流动二维马赫数分布场测量系统及方法。

背景技术：

1、在超声速飞行器的研究中，地面试验、数值计算和飞行试验是三大主要手段。三种研究手段各有优劣，因此往往需要结合三者以更好地认识、解释、设计和优化超声速飞行器。在空气动力学范畴内，三者的结合分析主要依据某些特定无量纲参数的相似条件，其中马赫数是最重要的无量纲参数之一，其定义为物体速度与当地声速的比值，同时其平方可作为对比气体宏观流动动能与分子随机热运动能量的度量，表征了流速改变对热力学状态的影响程度。另一层面，超声速气流的扰动传播区域存在特殊的马赫锥结构。马赫锥角与马赫数直接相关，并直接影响飞行器的气动力、气动热特性。此外，飞行器的姿态控制、热防护、边界层控制等策略也需依据飞行马赫数制定。因此，在超声速飞行器的三种研究手段中，各自准确获取马赫数对试验分析、数值模型验证和天地相关性构建十分重要。

2、在数值计算中，马赫数可直接由计算结果反演得出；在飞行试验中，主要用到安装在飞行器上的马赫空速表，其通过对静压/总压的测量计算出飞行速度，再测量飞行器所处海拔高度，根据海拔高度与声速之间的线性关系，获得当地声速，最后得到飞行马赫数；而在地面试验中，超声速来流主要通过风洞形成，风洞喷管出口气流的马赫数一般依据空气动力学、热力学等理论关系式进行计算。

3、在复杂的风洞运行过程中，理论计算常常无法考虑试验实际因素带来的影响，这体现在：1）理论计算结果为单一马赫数数值。实际风洞试验中，受到壁面边界层和湍流效应的影响，即便在核心区域，马赫数的分布也不是均一的；2）理论计算不可避免地会进行理想条件的假设。由于无法考虑真实试验中的所有物理过程，导致理想条件计算得到的单一数值结果与实际条件特征马赫数有所差异。3）理论计算得到的马赫数为喷管出口位置的马赫数。在地面风洞试验中，试验件往往固定于与喷管相距一定距离处，因此喷管出口的马赫数无法完全表征试验件安装位置的流动特征条件。

4、即便如此，地面试验仍主要采用理论计算的马赫数作为试验工况的表征值。这是因为，开展马赫数的测试试验极为困难。若类比飞行试验对马赫数的测量方法，需要在已知气体组分的试验段内放置测量气流速度和当地声速（或温度）的传感器，并且介入式的测量方法想要获得空间上参数的分布需要组网布置传感器。大型的支架以及大量布置的传感器势必影响来流状态，导致介入式测量同样无法很好地表征地面试验来流马赫数。面对飞行器地面试验超声速来流马赫数测量的难题，采用非介入式测量的手段是一种解决途径，但目前相关测试系统和方法鲜有公开报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超声速流动二维马赫数分布场测量系统及方法，以非介入式测量手段实现超声速流场二维马赫数分布场的测量。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种超声速流动二维马赫数分布场测量系统，包括超声速流场发生装置，用以模拟产生可观测的高空高速来流条件；

3、还包括：

4、静压测量装置，用于测量在超声速气流通过或无气流通过时待测区域的静压水平；

5、基于飞秒激光电子激发标记的二维流场速度测量装置包括依次设置的飞秒激光器、第一反射镜、点阵衍射光学元件、平凸透镜、二向色镜，用于将所述飞秒激光器产生的激光整形为点阵光并聚焦于待测区域，以及还包括用于采集不同时刻标记分子或原子位置的第一图像信号采集装置；

6、基于瑞利散射的二维温度场测量装置包括依次设置的高频泵浦激光器、可旋转半波片、分束镜和片光生成组件，所述高频泵浦激光器产生的激光经所述分束镜后，部分激光经片光生成组件后变为二维片状激光并能够与所述点阵光的平面重合，且二维片状激光的焦距能够与所述点阵光的中心重合，还包括激光能量计用于接收经所述分束镜后的另一部分激光，以及还包括用于采集瑞利散射信号的第二图像信号采集装置；

7、信号同步发生装置，用于所述超声速流场发生装置、二维流场速度测量装置和二维温度场测量装置的时序控制。

8、可选地，所述第一图像信号采集装置包括第一高速相机、第一高速像增强器、光学镜头和第一光学滤波片，所述光学镜头通过第一高速像增强器安装在所述第一高速相机，所述第一光学滤波片位于所述光学镜头的前方。

9、可选地，所述第二图像信号采集装置包括第二高速相机、第二高速像增强器、紫外镜头和第二光学滤波片，所述紫外镜头通过第二高速像增强器安装在所述第二高速相机，所述第二光学滤波片位于所述紫外镜头的前方。

10、可选地，所述超声速流场发生装置包括喷管、试验段和带真空泵的试验段出口，所述试验段出口和所述喷管分别位于所述试验段的两端，并与所述试验段连通，所述试验段上还设有多个光学视窗，用于所述点阵光和二维片状激光进入试验段内以及所述第一图像信号采集装置和第二图像信号采集装置采集所述试验段内的信号。

11、可选地，所述静压测量装置为静压探针，所述静压探针固定于试验段内，布置位置与超声速气流最大速度分量的方向平行，并且位于非光学测量区域。

12、可选地，所述信号同步发生装置包括计算机和时序控制器，所述时序控制器分别与所述飞秒激光器、第一图像信号采集装置、高频泵浦激光器、第二图像信号采集装置和超声速流场发生装置信号连接，所述超声速流场发生装置与所述静压测量装置信号连接，所述计算机分别与所述第一图像信号采集装置、第二图像信号采集装置、静压测量装置和激光能量计信号连接。

13、可选地，所述二维温度场测量装置包括一个或多个换向反射镜，用于光路换向。

14、可选地，超声速气流的来流为热完全体。

15、第二方面，本发明还提供了一种超声速流动二维马赫数分布场测量方法，采用第一方面中任一实现方式的超声速流动二维马赫数分布场测量系统进行测量，包括以下步骤：

16、s100，对超声速流动二维马赫数分布场测量系统进行标定，包括：

17、相机视窗标定、瑞利散射激光偏振方向调节、瑞利散射标定场信号采集和第一图像信号采集装置的参数确定；

18、s200，试验数据采集和处理分析，包括：

19、由激光能量计获得一致频率 f的激光能量数据 i( t)，由静压测量装置获得静压数据 p( t)，由基于飞秒激光电子激发标记的二维流场速度测量获得飞秒激光电子激发标记信号的流向位移δ x( x, y, t)和切向位移δ y( x, y, t)，由基于瑞利散射的二维温度场测量装置获得测试条件瑞利散射分布场信号 s( x, y, t)；由标定流程获得标定场瑞利散射信号 s 0( x, y)，标定场平均温度 t 0，标定时平均激光能量 i 0，标定场静压水平 p 0和标定时气体组分的瑞利散射截面系数；比热比 γ、气体常数r和试验时气体组分的瑞利散射截面系数由已知气体组分查表获得；

20、利用下式处理分析获得二维马赫数分布场：

21、。

22、可选地，相机视窗标定采用标准空间三维标定板；

23、空间分辨率测试采用标准分辨率板。

24、可选地，瑞利散射激光偏振方向调节采用可自动步进、旋转并记录的半波片镜架，同时记录可旋转半波片角度和待测区域瑞利散射信号强度平均值，绘制瑞利散射强度平均值随可旋转半波片角度变化的曲线，结果近似正弦曲线，波峰位置对应垂直偏振角度，波谷位置对应水平偏振角度。

25、可选地，若待测区域位于风洞的试验段内，瑞利散射标定场信号采集选用已知气体作为测试气体，气体静置稳定，试验段压力维持在大气压水平，试验段温度由热电偶采集，标定场瑞利散射信号分别采集激光垂直偏振和水平偏振下的结果以消除其他干扰信号的影响；

26、若待测区域位于开放空间内，开放空间与大气连通，瑞利散射标定场信号采集选用空气作为测试气体，气体静置稳定，开放空间内压力维持在大气压水平，开放空间内的温度由热电偶采集，标定场瑞利散射信号分别采集激光垂直偏振和水平偏振下的结果以消除其他干扰信号的影响。

27、可选地，第一图像信号采集装置的参数确定时，将待测区域内的可见光干扰降至最弱后，采取理论计算预定、物理延时测定和实际运行调定三个具体流程完成采集系统参数确定。

28、本发明的上述技术方案具有如下优点：

29、本发明提供的超声速流动二维马赫数分布场测量系统，在飞秒激光电子激发标记速度测量系统的基础上，结合衍射光学元件，使输出激光束整形为点阵光，此项结合手段能在激光总能量不发生较大损失的情况下，实现飞秒激光电子激发标记测量技术从单点/线速度测量到二维流场速度测量的转变。其次基于瑞利散射的二维温度场测量装置，利用片光生成组件形成二维片状激光，通过对流场静压和激光能量的监测，开展已知条件的二维标定数据测量。结合正式试验二维瑞利散射结果，实现超声速流动二维温度分布分析。而后利用信号同步发生装置，同步实施二维流场速度测量装置、二维温度场测量装置和静压测量，获得同时同频的试验数据。进而能够通过算法反演二维速度、温度分布，并基于已知试验气体组分获取比热比、气体常数。最终根据马赫数的定义，利用比热比、气体常数、流动速度和温度分布四项数据参数，构建超声速流动二维马赫数分布。

30、本发明提供的超声速流动二维马赫数分布场测量方法采用超声速流动二维马赫数分布场测量系统进行超声速流动二维马赫数分布场测量，以非介入式测量手段获取超声速流场二维马赫数分布，相较于传统介入式测量手段，其基本消除了测试元件对流场的干扰，缩小了由于测试元件响应时间不足带来的误差，同时提升了测试结果的时空分辨率。另外，本发明采用衍射光学元件实现飞秒激光电子激发标记技术测试维度的能力提升，从传统的一维单点/准二维单线拓展至二维多点/二维点阵的测试水平。此外，基于对超声速流场中分子/原子的激发和标记，可同时、同地获取超声速流动二维速度和温度分布。在已知气体组分和实测静压水平下，可反演出二维马赫数分布。测试获得的速度、温度和马赫数分布重要流场信息可支撑试验分析、数值模型验证和天地相关性构建。