高焓等离子体流场热力学非平衡特性实验研究

With increasing Mach number, molecular vibration, dissociation, electronic excitation, ionization, and ultimately complete plasma formation progressively take place in hypersonic flows. And strongly thermochemical nonequilibrium is generally believed to exist in most hypersonic applications. To develop the hypersonic aircrafts and study the flows, kinds of high-enthalpy plasma facilities, such as the arc-heated tunnel, high frequency plasma tunnel, and shock tunnel and so on, are built in many rich countries. Therefore, to study the thermal nonequilibrium of the high-enthalpy plasma flows in ground is the urgent acquirement of flow diagnosis and also the important approach to study the real-gas effects in hypersonic aerodynamics. In this project, the thermal nonequilibrium would be characterized with the targets of the translational temperature and electronic-excitation temperature of oxygen atoms by developing a laser spectroscopy with high spatial resolution, named the point-measurement laser absorption spectroscopy. The results would be benefit to understand the microcosmic mechanism of the nonequilibrium flow in hypersonic aerodynamics and to validate the physical models and results of CFD (Computational Fluid Dynamics).

在高超声速流动中，随着马赫数升高气体相继发生分子振动、离解、电子激发、电离，直至形成完全等离子体，并且往往伴随着强烈的热化学非平衡过程。而各种高焓风洞，比如电弧加热风洞、高频等离子体风洞、激波风洞等，是研究高超声速流动和研发高超声速飞行器不可或缺的地面试验设备。对高焓等离子体流场的热力学非平衡特性实验研究既是地面设备流场诊断的迫切需求，也是研究高超声速流动中实际气体效应的重要途径。在本项目研究中将发展具有高空间分辨率的点测量吸收光谱技术做为非接触测量手段，以氧原子平动温度和激发温度为测量对象，对高焓等离子体流场局域热力学特性进行诊断和分析研究。该研究将有助于认识高超声速非平衡流动的微观机理，为计算流体力学的建模和结果验证提供实验支撑。

高超声速领域是当前重要的科技战略制高点，高焓等离子流场的热力学特性是高超声速流动机理研究的重要组成部分。在该项目研究中，通过发展高温原子组分的可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）和高温自发辐射光谱高分辨率测量技术，具备了高温流场光谱精细结构测量与分析能力，并以电弧等离子流场、高频感应等离子流场和高焓膨胀管风洞流场为研究对象，对高焓流场的热力学特性进行了较全面测量分析。.首先，针对高温流场测量难以标定的问题，发展了免标定的TDLAS技术，实现了高焓等离子体流场中原子组分的电子激发温度与平动温度参数测量，并拓展到电子密度和流场焓值测量应用；其次，基于高分辨自发辐射光谱测量技术，发现了高频感应等离子体流场中N2分子的振转能谱以及高焓膨胀管风洞高速脉冲流场中原子的电子能谱均出现偏离玻尔兹曼分布的现象，说明高焓流场的热力学非平衡特性不仅仅体现在不同能量模态之间，而更多体现在内能模态自身；再次，研究发展了一种点测量吸收光谱技术，从理论、仿真、实验三个方面对该技术进行了深入研究，并成功进行了验证性实验，获得了2mm直径点域的高温氧原子吸收信号，突破了TDLAS技术“线测量”的先天缺陷，这为高焓非均匀流场，特别是激波附面层内高温气体直接测量提供了重要手段。.项目研究取得了一定研究成果，下一步将在微弱信号检测、分子光谱定量分析等方面继续加强研究，更加深化高温气体原子分子的微观动力学特性认识。