大视场低密度三维流动彩色聚焦纹影显示方法研究与系统研制

In order to develop the optical display and diagnostics for the research of complex flow such as hypersonic boundary layer transition, and to meet the needs for the detective of large-FOV and low density 3-dimensional flow in engineering, this study will combine color schlieren and focus schlieren which base on the traditional schlieren technique. The starting position, region and the characteristics of the transition of hypersonic boundary layer will be detected to support the research of the mechanisms of transition. The measurement principle for the meter scale, 30km height and 3-dimensional complex air flow will be proposed. The key techniques of optic, sensitivity and imaging design will be analyzed to determine the method of combining both the advantages of color schlieren and focus schlieren. A new optical flow diagnostics method which is color focus schlieren will be designed and built. The result of this study will be valuable for the project research of the aerocraft model. Scientific results will be provided for the research of the hypersonic boundary layer transition mechanism and judging rules.

为提升高超声速边界层转捩等复杂流动现象的光学显示与测量能力，更好的适应当前工程试验研究中的大视场低密度三维流动测量的实际需求，针对高超声速边界层转捩的起始位置、区域范围和流动参数的测量等转捩机理和转捩评价准则问题，以经典的纹影光学流动显示实验技术为研究对象，采用彩色纹影和聚焦纹影相结合的方法，研究能够满足米量级、模拟30km高度低密度条件下、三维复杂流动测量技术的原理，分析大视场、低密度和三维流动所带来的光学设计、灵敏度设计和聚焦成像等关键技术问题，确定能够综合彩色纹影和聚焦纹影各自技术优势的实施方法，项目预期设计一种彩色聚焦纹影光学测量新方法并进行系统研制，实现大视场低密度三维流动现象测量能力的提升。 项目的研究成果对空天飞行器模型的工程试验性能研究具有重要意义，可以为高超声速边界层转捩等复杂流动现象的机理研究与评价准则提供科学实验依据。

近年来，随着空气动力学技术的发展，纹影技术作为一种经典的流动显示技术展现出新的技术发展活力。本项目针对大视场低密度弱扰动的三维流场被测对象，开展彩色聚焦纹影技术研究，取得了预期的研究成果。主要研究成果如下：.1）构建彩色纹影测量方法，提出刀口栅设计、加工和标定方法，进行系统灵敏度设计，实现定量测量。提出了彩色刀口滤光栅定量测量方法，提出了的基于彩色刀口栅的彩色纹影定量测量方法的基本原理、标定方法和典型装置，实现了彩色刀口滤光片的制作，分析了色度色差等因素控制下的标定过程，提出了基于色度分析的系统灵敏度设计方法，构建了完整的彩色纹影密度场定量测量装置并进行了全过程实验验证。.2）提出聚焦景深定量测量方法，提出系统灵敏度、分辨率等系统参数分析方法，实现小景深弱扰动纹影测量。提出了定量测量聚焦纹影系统景深的客观评价方法，针对不同密度梯度的标定参考体，分析不同控制因素对系统景深的影响，进行系统景深的理论定量分析，分析了不同密度梯度标定参考体下的景深的变化规律，构建了最大可达1200mm口径的纹影系统，对典型弱扰动复杂流进行了实验验证，实现了小景深弱扰动纹影测量。.3）完成彩色聚焦纹影系统构建，进行大视场低密度弱扰动流瞬态流场测量，并推广进行工程应用。结合彩色和聚焦纹影，解决了系统设计及构建过程中的关键技术，构建了完整的彩色聚焦纹影系统，针对工程应用环境特点，开展了环境适应性的系统设计与分析，并在工程应用环境下，进行了工程应用验证，取得了较好的试验结果。.经过四年的研究，确定了彩色聚焦纹影技术的关键技术和实验方法，为纹影技术工程化奠定了基础。研究成果对于航空航天发动机流场性能实验研究水平的提升意义很大，可以为发动机复杂流动现象的流场显示与评价提供科学实验依据，可广泛推广于航空航天科研院所、试验基地和院校，具有很好的社会效益和推广应用前景。