纳米示踪
超声速、高超声速飞行器,特别是近空间飞行器是当前飞行器发展的热点之一,而对超声速、高超声速飞行器的实验研究离不开先进的流场精细结构测试技术。基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)是本研究小组在国际上首先开发出来的一种超声速、高超声速流动精细结构测试技术,NPLS技术不仅能够对超声速、高超声速流场进行流动显示,同时还能实现对流场的速度场和密度场的测量,其结果具有很高的时间空间分辨率。
采用跟随性良好的纳米粒子作为示踪粒子是NPLS技术的关键。NPLS技术的先进性已在小型超声速风洞实验中得到证明,为把该技术推广到高超声速大型风洞的实验应用中,需要研制能够定量投放纳米示踪粒子的设备。如何定量提供纳米量级的示踪粒子是NPLS技术的难题,为解决这一难题,使NPLS技术得以推广,本文对如何定量提供纳米示踪粒子的方法进行了研究,设计了两套不同运行方式的纳米粒子发生器,并对其进行了调试和相关的实验研究。 首先,进行了对撞式纳米示踪粒子发生器的设计。该设备采用两股超声速自由射流对撞的方式,通过超声速对撞射流产生的剪切力、粒子之间的碰撞力作用而破坏粒子之间的团聚效应,从而得到纳米粒径的粒子。在完成对该粒子发生器的参数设计、结构设计和强度校核后,采用NPLS技术对该粒子发生器的性能进行了实验调试。结果表明,采用超声速射流对撞方式设计的纳米粒子发生器能生成纳米粒径的粒子,同时还有一定数量的微米粒径的粒子存在,这些粒子在超声速流动中不能满足跟随性要求;由于存在高压引射现象,采用传统的螺旋杆投料的方式不能满足定量投料要求。
其次,为了解超声速射流对撞瞬态流场的特性,设计了超声速射流对射装置。采用NPLS技术和PIV技术对超声速射流对撞瞬态流场进行了研究。NPLS技术实现了超声速射流对撞瞬态流场精细结构的清晰显示,对撞瞬态NPLS图像展示了超声速射流对撞瞬态流场的流动结构与特性。PIV技术实现了超声速射流对撞瞬态流场的定量测量,实验得到了射流对撞瞬态的速度场,速度场流线图清楚地展现了射流对撞中产生的涡环结构。这些为对撞式纳米粒子发生器的改进提供了理论依据。 最后,为了使NPLS技术应用于某大型高超声速风洞实验测量,进行了高压流化式纳米示踪粒子发生器的设计。该设备采用流化床方式,通过在纳米粒子中加入分散剂,改变粒子间的相互作用,从而得到纳米粒径的粒子。该粒子发生器的设计包括参数设计、结构设计和强度校核等方面。对高压流化式粒子发生器进行了性能调试实验。采用斜激波响应实验测量了生成的纳米粒子的实际直径,采用NPLS技术实现了对斜劈超声速绕流流场精细结构的清晰显示,采用超声速PIV技术实现了对斜劈超声速绕流流场的定量测量。实验结果表明:高压流化床式粒子发生器达到设计要求。