超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验

冈敦殿, 易仕和, 米 琦, 陆小革

(国防科技大学空天科学学院， 湖南长沙 410073)

引 言

高效掺混与燃烧组织技术是组合循环发动机急需突破的关键技术， 而发动机内部的富燃燃气与空气混合过程可抽象为两股超声速气流混合， 即形成超声速混合层[1]。光学成像制导导弹在大气层中高速飞行时， 窗口与空气之间的剧烈摩擦会产生很高的温度， 通常需要利用冷却气膜隔离外部高温主流， 形成包含混合层、 边界层、 激波及其相互干扰的复杂流场结构， 其引起的气动光学效应被广泛研究[2-3]。混合层自身的发展过程涉及不稳定性发展和湍流混合等阶段， 具有高度的复杂性， 因此也获得了理论界高度关注。

Ali等[4]采用数值方法研究了空气和氢气的混合过程， 关注两股气流平行或者非平行的混合状态， 研究发现当两股气流方向之间的夹角增大时， 可以促进动量能量交换， 进而增强混合。沈清等[5]采用数值和实验方法证实展向涡结构的流向间距等于流动最不稳定波波长， 表明失稳结构与不稳定波之间存在内在联系， 并总结提出了混合层流动增强技术。王兵等[6]采用LES方法对来流速度、 对流Mach数和密度比等进行了较详细的研究， 观察到了大尺度结构及其运动发展过程， 结果表明， 随着对流Mach数增加， 剪切层厚度增长速度和混合效率均会下降。郭广明等[3，7-8]采用LES技术针对混合层密度分布以及气动光学效应开展了研究， 并关注了流动控制装置在气动光学效应校正方面的应用。实验研究方面， 国防科技大学张冬冬[9]、 冯军红[10]、 赵玉新[11]采用基于NPLS技术及PIV技术对混合层流场流向、 展向平面涡结构及其发展特性做了大量研究， 获得了流场精细结构以及气动光学特性等。

超声速、 高超声速流动中各种尺度的结构具有高度的非定常特性， 特征频率在104～106Hz量级很常见[12-13]， 如图1所示， 这使得获取流场演化特性具有挑战性。常规的流动可视化技术受限于光源和成像技术， 典型的在满分辨率条件下采样频率只能达到10 kHz， 如高速纹影技术。如Leidy等[14]报道的采用高速纹影观察高超声速气流与圆柱干扰流场， 在观察范围较小时， 帧率能达到240 kHz。Thurow等[12，15]开发了一种高速流动可视化系统， 使用自制的脉冲串激光系统、 高速ICCD相机， 达到500 000 f/s。Jiang等[16]研发了一套10 kHz级的CH PLIF系统， 并开展了火焰流场测试。李旭东等[13]， 梅峰[17]关注高速PLIF激光器技术， 并研制了脉冲串激光器， 实现了10 kHz的脉冲激光输出。

图1 不同湍流尺度速度对应的频率[12]Fig. 1 Characteristic frequency of large-scale turbulent motions as a function of length scale[12]

团队研发了超高频NPLS技术， 实现MHz级流场可视化和精细测量。本文采用该技术研究了对流Mach数Mac=0.17和Mac=0.26混合层流场， 以及有无流动控制装置条件下的混合层流场， 获取了流场时间序列的高分辨率图像， 对流场涡结构演化发展特性进行了分析。

1 超声速混合层风洞

超声速混合层风洞采用吸气方式运行， 试验段截面尺寸为100 mm×50 mm。风洞主体由3部分组成： 稳定段、 双喷管与试验段， 相应的配套设备包括入口阀门、 总压调节器以及真空设备等， 如图2所示。风洞稳定段和喷管内部均安装隔板， 过渡段之后气流即被分成两股。双喷管出口形成速度方向相同但大小不同的两股气流， 并发生剪切。稳定段低速侧安装有总压调节器， 可以连续衰减总压， 从而实现双喷管出口上层流动的压力调节。

图2 超声速混合层风洞结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of the supersonic mixing layer wind tunnel

双喷管结构可通过更换不同的型面半喷管实现不同的对流Mach数， 如图3所示， 低Mach数半喷管安装在上侧， 与总压调节器配合使用， 高Mach数半喷管安装在下侧。隔板末端的厚度为0.1 mm。来流总温T0=300 K， 高速侧总压为101 kPa， 低速侧总压P0的选择根据压力匹配计算得到。

根据等熵关系式、 声速定义式和对流Mach数定义式可以计算喷管的对流Mach数

式中，U1，U2，a1，a2分别为高速侧速度、 低速侧速度、 高速侧声速以及低速侧声速。实验中使用了两个不同对流Mach数的双喷管结构， 对流Mach数分别为0.17和0.26， 超声速混合层流场参数在表1中给出。文中报道的实验均在混合层压力匹配条件下进行， 即上下层流动静压相等。压力匹配通过两方面判断， 一是稳定段的压力传感器监测低速半喷管入口总压； 二是剪切流场初始段纹影图像， 若压力匹配， 则初始段剪切面为平直线条。

图3 双喷管结构示意图Fig. 3 Schematic view of the dual nozzle system

表1 超声速混合层流场参数

实验中为了控制混合层的剪切发展， 在隔板上沿末端粘贴锯齿状阵列型涡流发生器， 其尺寸及安装位置与夏梓豪等[18]在论文中报道的一致， 如图4所示。

图4 涡流发生器示意图[18]Fig. 4 Schematic diagram of the vortex generator array[18]

采用超高频NPLS技术获取混合层流场的时空演化特性， 系统布置如图5所示。激光片光照亮混合层流场流向平面， 流场中均匀撒播有示踪粒子， 高速相机捕捉粒子散射光进而获得流场结构。

2 超高频NPLS技术

2.1 系统原理

在(高)超声速飞行器湍流与复杂流动的研究中， 高时空分辨率的流场精细测试技术是十分重要的研究课题。团队十余年前开发了基于NPLS技术[19]， 其核心是采用纳米粒子作为示踪粒子， 具有高时空分辨率和高信噪比的特点。常规NPLS系统由计算机、 同步控制器、 CCD相机、 双腔脉冲激光光源、 纳米粒子发生器、 导光臂和片光组件等构成。粒子发生器和撒播装置能够为流场提供均匀的纳米示踪粒子， 跟随各种尺度的流动结构， 双腔激光器发出脉冲激光照明流场中的纳米粒子， 相机捕获粒子散射光进而获得流场结构。NPLS技术在超声速和高超声速流场测试中获得了大量应用， 包括混合层[20]、 边界层[21]、 激波边界层干扰以及气动光学[22]研究等。

图5 风洞和测试系统照片Fig. 5 Photo of the experimental system

但受限于双腔激光器和跨帧CCD相机的重复频率， 传统的NPLS技术无法获得时间序列的流场高分辨率图像， 进而无法获得流场在一段时间内的发展演化特性。如图6所示为何霖[23]获得的超声速平板边界层流动可视化图像， 可以清晰观察到流动结构在5 μs时间内的演化情况， 但是无法获得整个时间历程的演化发展特性， 即5， 10 μs之后的发展情况无法获知。

高能脉冲激光器、 高精度同步控制器和高分辨率高速相机的性能日新月异， 基于此(高)超声速流动的湍流精细结构时间分辨的测试成为实际可能。国防科技大学研究团队提出利用多腔脉冲YAG光器并联技术实现对流场MHz重复频率的照明， 高分辨率高速成像系统捕捉纳米粒子散射光， 通过同步控制器实现激光片光出光和同步成像， 进而实现MHz重复频率的高速流场精细结构的可视化， 如图7所示。

(a) t0

(b) t0+5 μs图6 超声速边界层NPLS图像Fig. 6 NPLS images of the supersonic boundary layer

图7 超高频NPLS系统示意图Fig. 7 Schematic diagram of the superhigh frequency NPLS system

2.2 八腔并联激光技术

激光器系统由八腔激光器本体、 集成电源和冷却系统等组成， 运用激光偏振技术、 激光倍频技术和合束技术等， 解决八腔激光的高精度合束等问题， 使得在激光输出时形成MHz重复频率激光脉冲。图8为成功研制的八腔激光器实物照片， 该激光器每个腔体的工作物质均为掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)晶体。

图8 八腔并联脉冲激光器Fig. 8 Photo of the 8-cavity laser system

激光器各通道输出激光脉冲最小时间间隔达到100 ns， 工作频率达到10 MHz， 单脉冲能量超过300 mJ。图9为激光器以100 ns的时间间隔输出八脉冲的时序分布， 脉冲时间和间隔稳定。图10为八脉冲片光合束测试照片， 多个脉冲片光入射在同一张激光感光纸上， 激光感光纸和片光组件在整个过程中保持位置不变。各个片光相互重合， 表明合束情况良好。

图9 八腔激光器脉冲时序测试(100 ns间隔)Fig. 9 Test of the 8-cavity laser pulses (100 ns interval)

图10 激光器输出片光合束测试Fig. 10 Detection results of the beam combination

2.3 超高帧频高速相机技术

为使相机在高帧频条件下仍然具有1M像素以上的分辨率， 团队研制了一台超高帧频高速相机。采用8台短曝光相机沿周向分布， 基于八棱锥分光， 如图11所示。每台相机配备独立的角度和位移机构， 确保通过精细调节后每个相机拍摄到的图像基本一致。短曝光相机的最短曝光时间可达1 μs， 获得的8张时间相关图像， 其理论最短相邻帧时间间隔为1 μs。由于采用棱锥分光模式， 每个激光腔发出脉冲时各个相机通道均能接收到光线， 因此必须严格控制相机曝光时间和时序， 确保各相机只在对应激光脉冲出光时曝光。通过电路并联设计和高精度同步控制， 实现MHz级超高帧频纳米散射序列成像， 并且成像分辨率达到1 392 pixels×1 040 pixels。

图11 超高帧频相机照片Fig. 11 Picture of the high-speed camera

进一步地， 在开展试验时， 为准确定位相机的拍摄位置、 校准图像参数， 通常采用棋盘格标定图像， 以对图像的畸变进行修正。

2.4 超高频NPLS系统性能测试

超高帧频高速相机由同步控制器触发， 通过USB数据线与计算机进行数据传输， 相机曝光时会输出高电平信号。同步控制系统对多个激光脉冲时间、 相机开始曝光时间等进行控制， 如图12所示。

图12 超高频NPLS系统时序图Fig. 12 Timing chart of the superhigh frequency NPLS system

通过调试， 自研高速相机各项功能正常， 能够有效保证在激光出光时特定通道相机曝光。图13为检验相机和激光器的同步情况， 示波器中黄色线尖峰代表光电探测器检测到的激光脉冲， 蓝色线为相机曝光信号， 通过软件设置延时， 可以很好地保证激光脉冲和相机曝光的同步。由此将NPLS技术升级为MHz级的超高频NPLS技术， 能够获取相邻图像极限时间间隔为1 μs的序列图像， 实现对流场动态演化过程高时间分辨的记录和测量。该系统可进行MHz量级超高频(高)超声速湍流与复杂流动精细结构可视化测试， 数据处理后可获得速度场等定量数据。

图13 示波器检验相机曝光时间和激光脉冲同步Fig. 13 Synchronization test of the exposure and laser pulse

3 混合层实验结果与分析

实验中坐标系定义如下： 以喷管段隔板后缘中心为原点， 向下游平行于流动方向为x轴正方向， 垂直于隔板向上为y轴正方向。

3.1 超声速混合层流动结构及演化特点

超声速混合层的发展存在失稳过程以及湍流状态， 图14为Mac=0.17混合层流场NPLS图像， 对应的拍摄长度为200 mm。在混合层发展的初始阶段， 由于两股气流之间存在大的速度剪切， 与不可压缩情形相类似， 在NPLS图像上混合界面呈现为一条平直线条； 随着流动向下游发展， 出现了Kelvin-Helmholtz不稳定性导致的界面失稳， 逐渐出现规则卷起的具有一定波长的涡结构， 夏梓豪等[18]根据NPLS图像测出了来流参数基本相同条件下的波长为9.1 mm。在这一阶段， 涡结构呈现的主要是平移特性， 伴随着一定的旋转和剪切变形。进一步的流场失稳导致了大尺度结构逐渐破碎， 对应于x>180 mm的区域， 在规则涡结构的周边出现小尺度结构， 混合层上下层不同速度大小的气流能量交换更加强烈， 加速流动的混合过程。

图14 Mac=0.17混合层流场NPLS图像Fig. 14 NPLS image of the Mac=0.17 mixing layer

需要明确的是， NPLS图像反应的是某一时刻的流场， 而混合层剪切流动本身具有非定常特性， 包括失稳起始位置、 波长等参数均应基于大量的数据开展统计分析。本研究主要基于超高频NPLS获得的时间相关流动可视化图像开展涡结构演化的定性研究。

3.2 不同对流Mach数混合层流场演化过程

图15, 16给出了Mac=0.17, 0.26两个对流Mach数的混合层NPLS序列图像， 相邻图像的时间间隔分别为12, 8 μs， 根据时间序列图像可以判断分析不同位置涡结构随时间的演化。由于超高频NPLS技术的突出优势在于获取时间相关图像， 因此文中更侧重于选取某一个时刻的典型结构研究其发展特性。

图15 Mac=0.17混合层流场时间序列NPLS图像Fig. 15 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer

混合层中、 后段， 沿流向的运动仍然主导着整体的流动形态。但在不稳定性以及掺混的综合影响下，y方向速度呈现周期性的变化， 涡结构也存在明显的旋转和变形。赵玉新根据PIV数据判断， 下层流体向上卷起的速度要高于上层流体向下翻转的速度， 其主要原因在于下层流体密度高、 速度快， 所携带的能量与动量更高[11]。对比图15, 16， 更高的对流Mach数意味着上下层之间的主流速度差异更大， 相应的流场也呈现出明显不同的特性。对流Mach数越大， 失稳阶段的长度更短， 以小尺度涡结构为主的湍流掺混现象更为显著。

图16 Mac=0.26混合层流场时间序列NPLS图像Fig. 16 A sequence of NPLS images of the Mac=0.26 mixing layer

图15, 16中标注了A， B， C和E 4个典型的涡结构， 其中A， E结构通过虚线连接了不同时刻的同一结构， 各个时刻的结构均能对应到这条直线上， 印证了涡在混合层前段和中段最明显特征为平移。分析涡结构B在不同时刻的特征， 在t0～t0+48 μs主要特征为平移和一定程度的拉伸； 随着继续向下游发展， 呈现了更显著的顺时针旋转剪切和拉伸， 并且伴随着涡结构破碎， 这些特点在t0+60 μs～t0+84 μs期间可以观察到。

针对涡结构C， 由于接近混合层的后段， 对应于失稳阶段的末端， 不稳定性增强， 能量交换更为剧烈。在t0～t0+36 μs时间段内， 平移依然主导， 但是出现了一定程度的破碎。当接近x=180 mm时， 涡结构C破碎明显， 大量小尺度结构开始出现， 结合图14也可判断此时混合层失稳阶段接近尾声。

对于较低的对流Mach数Mac=0.17， 流动结构周期性演化明显， 序列图像涡结构整体相似度高。基于图像互相关算法通过判断最大相关系数， 可以得到涡结构的运动位移信息。如图17所示， 选取某一时刻图像的特定区域作为基准， 即可在时间相关图像中获取最佳匹配区域， 从而得到涡结构位移。根据图15所示时间序列图像计算得到在84 μs的时间间隔内， 流动结构整体向下游运动了50 mm， 对应的平均速度为595 m/s。进一步地， 基于500张不同时刻图像的统计分析， 相邻涡结构之间距离均值为14 mm， 可认为该条件下的波长为λ=14 mm。基于波长和速度信息， 得到Mac=0.17剪切流动的典型频率特征为42.5 kHz。

图17 采用互相关算法计算涡结构位移Fig. 17 Calculation of vortex structure displacement using cross-correlation algorithm

3.3 微型流动控制装置对混合层发展影响分析

在隔板上沿安装阵列型涡流发生器流动控制装置， 使得沿隔板上表面发展的边界层与上侧喷管内自由流中的高动量流体交换能量， 边界层剖面更加饱满。对比图15, 18可以发现， 有流动控制条件下， 不稳定波主导的失稳阶段长度明显缩短。以标注的涡结构D为例， 其t0时刻位置与图15的B基本一致， 但是经过56 μs的发展， 涡结构D结构变形明显， 并且发生了显著破碎。

另外， 发现了各种尺度结构的运动规律具有相当的复杂性， 如前文所述， 混合层前段以平移、 剪切为主， 中段以K-H不稳定性的发展为主。针对涡结构D， 可以观察到在各个时刻发生的主要是平移和一定程度的旋转。但是观察涡梢部两侧的小尺度结构， 随着时间发展， 其均在向各自的方向发生向两侧的旋转拉伸。也就意味着， 剪切面的大尺度结构旋转方向相对确定， 但是两层流动的掺混也导致了明显的非定常特性， 大尺度结构及其小激波也会诱导小尺度结构， 使其的运动特性高度非定常。

图18 Mac=0.17有流动控制混合层流场时间序列NPLS图像Fig. 18 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer with vortex generators

4 结论

本文首次采用MHz级超高频NPLS技术研究了超声速混合层的时间演化特性， 获得了不同对流Mach数、 有无微型流动控制装置条件下的混合层流场序列图像。超高频NPLS技术由八腔激光器、 多短曝光相机集成的超高帧频相机以及高精度多通道同步控制技术等组成， 成功实现MHz级高分辨率流场可视化。对于Mac=0.17, 0.26混合层流场， 对比了混合层的层流段长度、 失稳段、 涡结构形态， 选取了一些典型的涡结构作为参考， 发现不同位置的涡结构随时间的发展存在明显差异。在较低的对流Mach数条件下， 不稳定性发展阶段能维持更长的空间距离。混合层中段的不稳定性发展阶段， 涡结构以平移和旋转为主， 伴随一定的拉伸； 混合层后段则以变形和破碎为主。对于涡结构特征明显的Mac=0.17混合层， 基于互相关算法得到位移， 基于多张瞬态图像获取平均波长， 发现该剪切流动的特征频率约为42.5 kHz。在有流动控制装置的条件下， 不稳定性发展阶段的长度受到一定的抑制。并且受到剪切、 大尺度结构以及小激波的影响， 小尺度结构的运动存在高度非定常特性。