蒸汽屏顯示技術(shù)

蒸汽屏顯示技術(shù)小組成員產(chǎn)生背景基本原理實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)要求應(yīng)用舉例產(chǎn)生背景Background01

當(dāng)機(jī)場跑道附近有大量煙霧時(shí)，如果我們沿飛機(jī)的飛行方向觀察，可以看到繞機(jī)翼流動(dòng)的旋渦圖像。設(shè)想在超音速風(fēng)洞中利用濕空氣運(yùn)行，由于空氣通過超音速噴管膨脹，使實(shí)驗(yàn)段氣流的靜溫變得很低，結(jié)果在氣流中所含的水蒸氣會(huì)冷凝而形成霧。這樣在實(shí)驗(yàn)段形成具有一定濃度的霧氣流。如果將模型放入實(shí)驗(yàn)段，并采用激光片光源照明，由于霧滴對(duì)光線的散射作用，就可以在激光片光源的光屏上看到繞流中的尾流、旋渦等現(xiàn)象的截面流動(dòng)圖畫，稱這樣的流動(dòng)顯示技術(shù)的蒸汽屏法。蒸汽屏流動(dòng)顯示技術(shù)作為高速流場一個(gè)有效的診斷手段，已有40多年的歷史。由于該技術(shù)在復(fù)雜流場研究中(如大迎角導(dǎo)彈或高性能飛機(jī)渦跡和背風(fēng)面流型等)特別有用，使其仍然保持不斷發(fā)展勢頭。從光學(xué)觀點(diǎn)看，蒸氣屏是基于經(jīng)典的米(G．Mie)散射理論。需要說明一下，由于蒸汽是一種特定的散射粒子(其他介質(zhì)也能產(chǎn)生類似的效果)，形成的霧或凝結(jié)場的照明片光屏是可視的。基本原理02Principles

蒸汽屏流動(dòng)顯示技術(shù)已成功地用在高速流中顯示飛行器的渦結(jié)構(gòu)。該技術(shù)原理十分簡單。當(dāng)在風(fēng)洞內(nèi)用一定溫度的潮濕空氣運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣流經(jīng)噴管膨脹降溫，濕氣在試驗(yàn)段形成均勻的霧。這時(shí)，用一薄片光投射到試驗(yàn)段橫截面上，若在光屏平面上流動(dòng)無擾動(dòng)，則出現(xiàn)一幅色度均勻的屏幕。然而，當(dāng)有模型時(shí)，由于其產(chǎn)生擾動(dòng)，則引起霧分布的均勻性發(fā)生變化，它以散射光強(qiáng)弱為特征顯示在光屏上，從而產(chǎn)生相應(yīng)的流動(dòng)圖像。在流場中與光平面相交的旋渦以“黑點(diǎn)”形式出現(xiàn)(見圖2-1)，激波則呈現(xiàn)出較亮的邊界。圖2-1蒸汽屏原理和基本裝置示意圖

蒸汽屏建成，需要有適當(dāng)?shù)木鶆虺睗窨諝庠陲L(fēng)洞中運(yùn)轉(zhuǎn)。流場中形成的散射粒子要有一定的大小，能夠產(chǎn)生足夠的橫截面，并有均勻的數(shù)密度和良好的跟隨性。蒸汽屏流動(dòng)顯示技術(shù)開始用于連續(xù)式回流高速風(fēng)洞中。通常在風(fēng)洞中靜壓低于大氣壓的擴(kuò)散段壁上開孔注水，這樣只要操作合，經(jīng)過循環(huán)運(yùn)行后，氣流便可維持蒸汽屏所需要的均勻濕度。在暫沖式半回流風(fēng)洞中，雖然建立蒸汽屏存在一定的困難，它不能像連續(xù)式回流風(fēng)洞那樣，引水進(jìn)入風(fēng)洞隨氣流循環(huán)一段時(shí)間便可在試驗(yàn)段產(chǎn)生均勻的霧場。

但是，通過預(yù)先霧化水的方法，連續(xù)地給風(fēng)洞提供足夠的數(shù)密度均勻的小水滴，便可彌補(bǔ)暫沖式風(fēng)洞生成均勻霧場水量在時(shí)空上的不足。20世紀(jì)80年代初采取這種辦法已獲成功。蒸汽屏流動(dòng)顯示技術(shù)不限于在超聲速風(fēng)洞中使用，在跨聲速范圍，甚至冷凍風(fēng)洞也是可行的。只要能夠生成足夠的均勻霧場，則不難獲得清晰的蒸汽屏照片?？傊?，要用蒸汽屏技術(shù)攝取到高分辨率的照片，光強(qiáng)、凝結(jié)、照像和研究方式應(yīng)當(dāng)互相配合。因此，可以認(rèn)為蒸汽屏流動(dòng)顯示方法是技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合。實(shí)驗(yàn)裝置03Equipments

風(fēng)洞運(yùn)行條件也會(huì)有一些限制。蒸汽屏技術(shù)基本裝置從圖2—1中可以看到，其引水／噴霧系統(tǒng)，是從風(fēng)洞外的水源引入管道中，以保證在試驗(yàn)段生成均勻霧場。高強(qiáng)度光源安放在試驗(yàn)段外適當(dāng)位置(最好是在模型背風(fēng)面方位)，投射一垂直于風(fēng)洞氣流的片光。照相機(jī)可位于風(fēng)洞外或試驗(yàn)段內(nèi)，從不同的視角攝取蒸汽屏流動(dòng)圖像。試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻婧驮囼?yàn)段側(cè)壁噴涂淺黑漆，以降低來自照明的炫光，并且應(yīng)在模型照相位置記上參考標(biāo)志。試驗(yàn)前，安放好記錄裝置，在光屏軸向位置設(shè)目標(biāo)以調(diào)節(jié)焦距。

下面介紹其基本實(shí)驗(yàn)裝置。引水噴霧系統(tǒng)在連續(xù)式回流風(fēng)洞中，注水比較簡單。只要將水箱放在擴(kuò)散段上方，用水管連接到擴(kuò)散段壁上通過閥門控制水量．便可將水引進(jìn)風(fēng)洞隨氣流循環(huán)，直到穩(wěn)壓室內(nèi)氣流達(dá)到一定的溫度。這可通過露點(diǎn)儀檢測。在暫沖式半回流風(fēng)洞中，為了彌補(bǔ)氣流循環(huán)霧化水量不足的缺陷，可將水預(yù)霧化。這時(shí)需要增加噴霧裝置(圖3—1)。該系統(tǒng)是由多個(gè)噴嘴、管路、水／氣箱、電磁閥和調(diào)壓閥組成。噴嘴分布在風(fēng)洞穩(wěn)壓室前回流道最大截面處，便于水滴與主氣流混合霧化均勻。潮濕的氣流經(jīng)蜂窩器／整流網(wǎng)進(jìn)入穩(wěn)壓室，通過安裝在穩(wěn)壓室中的取樣器，由露點(diǎn)儀進(jìn)行監(jiān)控。水流量由調(diào)壓閥控制或增、減噴嘴個(gè)數(shù)確定。

圖3-1FD-06風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)光源系統(tǒng)為了能產(chǎn)生清晰的蒸汽屏圖像，一般功率大得光源獲得的照片質(zhì)量好些，但經(jīng)濟(jì)性和安全性差，操作也麻煩些。使用水銀燈作光源的裝置如圖3—2所示3-2水銀燈，空氣冷卻室照相設(shè)備蒸汽屏圖像記錄方式，根據(jù)需要和條件采用不同的照相或攝像設(shè)備，可采取間歇式或連續(xù)式，洞內(nèi)或洞外，搖控或手控等方法記錄圖像。當(dāng)然，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，要組合使用，同時(shí)用幾種方式來滿足顯示記錄要求。毫無疑問，記錄系統(tǒng)小型化、能自動(dòng)進(jìn)片和開關(guān)快門，并能在風(fēng)洞運(yùn)行環(huán)境中正常工作為最佳。應(yīng)該注意到，風(fēng)洞內(nèi)照相要避免鏡頭有水汽凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。這可采取一些防水措施，以免影響照片質(zhì)量。也有通過潛望鏡在洞外監(jiān)視的，這不但容易控制，而且可以攝取到難以接近的方位圖像，是一種比較方便的方式。模型尾支撐裝置模型尾支撐裝置在試驗(yàn)中除能改變迎角外，還允許模型作縱向移動(dòng)或繞縱軸滾轉(zhuǎn)。這樣在風(fēng)洞運(yùn)行中模型可在變迎角下相對(duì)于蒸汽屏縱向運(yùn)動(dòng)到各個(gè)位置，或者滾轉(zhuǎn)。因此，能得到沿整個(gè)模型長度或在不同滾轉(zhuǎn)角下流動(dòng)圖像變化形態(tài)，并記錄流型全貌，而不必改變相機(jī)相對(duì)片光的位置，在FD一06風(fēng)洞中采用了這種裝置。技術(shù)要求04skillsrequirement1.在氣流中形成最佳霧濃度的條件氣流中形成“最佳”霧濃度條件，以在風(fēng)洞各試驗(yàn)馬赫數(shù)下獲得清晰蒸汽屏照片為準(zhǔn)則。蒸汽屏的生成，以潮濕氣流產(chǎn)生散射粒子為前提。在不同馬赫數(shù)下，因濕度和過冷度等不同，影響散射粒子形成，亦即霧濃度的大小。實(shí)驗(yàn)表明，清晰的蒸汽屏是在合適的濕度范圍內(nèi)獲得的，霧濃度稍大的濕度約大于稍小濕度30％。為獲得形成最佳霧濃度條件，經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算連續(xù)式風(fēng)洞中不同馬赫數(shù)下需要的水量，即露點(diǎn)是水蒸氣開始凝結(jié)的濕度，并且在相對(duì)濕度達(dá)到1時(shí)發(fā)生。4-1產(chǎn)生凝結(jié)（露點(diǎn)）需要的水量2、水蒸氣凝結(jié)對(duì)流場的影響所謂潮濕空氣是指干燥空氣和水蒸汽的混合物。當(dāng)在超聲速噴管中從滯止壓力、溫度和一定的相對(duì)濕度膨脹到下游某一截面上相應(yīng)的馬赫數(shù)下的數(shù)值時(shí)，除邊界層外，狀態(tài)變化通?？烧J(rèn)為是等熵的。在等熵膨脹過程中，水汽迅速達(dá)到飽和壓力，因?yàn)槟Y(jié)幾乎完全取決于凝結(jié)胚的形成率，噴管中水汽不能馬上在它的飽和點(diǎn)凝結(jié)，溫度要進(jìn)一步下降到“臨界過冷”(主要跟流場溫度梯度雨濕度有關(guān))。由于過冷度達(dá)到一定程度，凝結(jié)胚形成率迅速增大水汽突然凝結(jié)成液態(tài)或固態(tài)，各自向周圍流體中釋放蒸發(fā)或升鮮熱量；引起狀態(tài)參數(shù)和馬赫數(shù)幾乎發(fā)生不連續(xù)變化，產(chǎn)生“凝結(jié)德波”。在亞聲速情況下，凝結(jié)胚形成率很小，凝結(jié)過程通常要比超聲速慢。這時(shí)，固體微粒(外界凝結(jié)核)對(duì)凝結(jié)影響很大，過飽和度達(dá)四倍以上才有可能開始凝結(jié)。其產(chǎn)生膨脹擾動(dòng)，在氣體中傳播時(shí)形式不變。水蒸汽凝結(jié)要引起試驗(yàn)段當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)和其他氣流特性發(fā)生委化，會(huì)使測得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。由于流場受凝結(jié)過程釋放出來削熱量影響，其馬赫數(shù)和靜壓變化按下列關(guān)系式求出：這些方程表明，在超聲速下隨著凝結(jié)的發(fā)生馬赫數(shù)將減小，而壓力增大；反之，在亞聲速下情況剛好相反。應(yīng)當(dāng)注意，如果僅有水蒸汽存在而不出現(xiàn)凝結(jié)，則對(duì)由等熵關(guān)系式?jīng)Q定的溫度比、壓力比以及馬赫數(shù)等沒有多大影響。當(dāng)出現(xiàn)凝結(jié)時(shí)，釋放的熱量使參數(shù)變化，在凝結(jié)處上、下游的總溫和馬赫數(shù)可簡單地直接用下式表示：下標(biāo)1和2分別指凝結(jié)處上、下游的總溫、馬赫數(shù)和靜壓。總溫升△孔對(duì)馬赫數(shù)和壓力影響表示在圖4—2上。4-2總溫對(duì)（a）馬赫數(shù)和（b）壓力的影響在壓、超音速范圍內(nèi)凝結(jié)定性的影響是不同的，并且在近聲速時(shí)干擾影響特別大。由此看出，除必要的總溫差外，還取決于可靠的估計(jì)過冷溫度。在超聲速噴管中的空氣溫度可以降到非常低的程度。一般試驗(yàn)段的靜溫會(huì)遠(yuǎn)低于通常大氣的露點(diǎn)，同時(shí)要求更大的過冷度。因此，在風(fēng)洞中的凝結(jié)溫度低于露點(diǎn)，并且隨馬赫數(shù)變化。圖4—3給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4-3蒸氣屏露點(diǎn)隨馬赫數(shù)變化

由于空氣中水蒸汽的凝結(jié)是分子碰撞、聚合，最后形成水滴的結(jié)果，在超聲速風(fēng)洞中，當(dāng)過冷度小于12T時(shí)凝結(jié)的可能性很小。水蒸氣凝結(jié)明顯地影響試驗(yàn)段自由流條件。這就產(chǎn)生了蒸汽屏顯示時(shí)獲得的結(jié)果跟其他數(shù)據(jù)(如在干燥氣流條件下測量的力和力矩)比較的有效性問題。在超聲速時(shí)，隨著“凝結(jié)激波”的產(chǎn)生會(huì)使馬赫數(shù)下降和總壓損失。這些效應(yīng)，如馬赫數(shù)為2．0時(shí)，估計(jì)總壓下降5％，馬赫數(shù)下降0．05，靜壓增加約4％。這些誤差不至于影響對(duì)蒸汽屏照片的解釋。然而，風(fēng)洞在干燥氣流條件下運(yùn)行獲得的法向力，跟蒸汽屏顯示同時(shí)測得的法向力比較，變化約5％。因此，在超聲速流中蒸汽屏試驗(yàn)時(shí)，難以測得有效的力和力矩，應(yīng)在干燥氣流條件下重做試驗(yàn)。在跨聲速馬赫數(shù)下，一個(gè)飛機(jī)模型在風(fēng)洞分別為干燥和潮濕氣流運(yùn)行條件下，進(jìn)行了大迎角壓力分布測量和蒸汽屏顯示試驗(yàn)。比較結(jié)果表明，濕度影響可忽略不計(jì)。說明了跨聲速模型試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行流動(dòng)顯示和測量。應(yīng)用舉例05Example蒸汽屏照片提供的信息，雖然是定性的，但它可用來分析復(fù)雜流場重要特性。實(shí)驗(yàn)表明，有三種典型的現(xiàn)象可由蒸汽屏技術(shù)確定。第一種類型是流場中由于通過激波密度發(fā)生變化，因此，引起霧密度類似的變化，從而可明顯地確定激波位置和形狀。第二種是由邊界層分離引起的尾跡、渦面和渦核。因?yàn)樵诹鲃?dòng)分離過程中，粒子不能穿過剪切流線進(jìn)入尾跡。缺乏散射粒子，渦面和渦核呈黑色或透明狀，因此可識(shí)別旋渦位置和形態(tài)。第三種現(xiàn)象是在有大的溫度梯度流動(dòng)區(qū)域，顯著的凝結(jié)(或冰晶)相變成透明的氣態(tài)(蒸汽)。蒸汽屏照片經(jīng)常展示出的是前兩種流動(dòng)現(xiàn)象，即各種強(qiáng)度的激波形狀及流動(dòng)分離形成的渦面和渦核(可以透明狀或黑洞狀出現(xiàn)）圖5—1是一幅x形鴨翼一彈身組合體在馬赫數(shù)為3時(shí)的蒸汽屏照片?？梢钥吹奖筹L(fēng)面除出現(xiàn)小尺度渦點(diǎn)外，在彈體脫體渦兩側(cè)還有橫流激波。