2. 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
2. School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
纹影是一种常用的流动显示技术, 利用折射率与流场密度成正比, 纹影成像表征密度梯度变化, 广泛应用于可压缩流动显示[1-3]及超声速燃烧流场实验[4].然而, 在变Mach数超声速燃烧实验中, 燃烧室总温随来流Mach数变化.受准稳态/非定常温度变化影响, 光学玻璃窗口的折射率发生显著改变[5], 影响基于密度梯度变化成像的纹影质量.同时, 普通纹影为光程体积沿程积分, 难以同二维燃烧场成像信息进行直接比较以开展燃烧与流动耦合研究.为了能够通过燃烧室内的流动结构信息深入研究流动与燃烧的耦合机理, 有必要开展高超声速燃烧室内的二维流动显示技术.
聚焦纹影技术可抑制燃烧室内高温引起的玻璃窗口折射率变化, 并实现毫米级的急剧聚焦深度[6], 获得二维流场结构, 同时配合纳秒级脉宽Nd:YAG激光光源可实现高超声速流场冻结. Weinstein[7]在Burton[8]的纹影系统基础上发展了大视场高亮度的聚焦纹影系统, 奠定了现代聚焦纹影的基础.谢爱民等[9]、徐翔等[10]将聚焦纹影应用于激波风洞, 证明其可行性. Garg等[11]使用聚焦纹影系统测量了超声速非反应湍流边界层的特性. Förster等[12]将聚焦纹影应用于超燃冲压发动机的燃烧室, 研究不同稳焰模式的特性. Kouchi等[5]运用聚焦纹影系统拍摄双模态超燃冲压发动机的燃烧室, 对比冷流图片证明聚焦纹影系统能够很好地降低窗口热变形带来的影响.在大多数以往的实验中使用纳秒脉宽的Nd:YAG激光器冻结超声速流场.然而, 这种激光器用于光源时会不可避免地产生相干噪声.因此, 减少光源产生的相干噪声能够有效提高成像质量, 捕捉到更加清晰的图片.
本文提出了一种结合激光诱导荧光和聚焦纹影系统(laser induced fluorescence and focusing schlieren, LIF-FS)的测量技术, 利用激光诱导荧光作为光源, 显著降低激光光源相干噪声.同时介绍了LIF-FS系统在中国科学院连续变Mach数直联实验台超声速燃烧流场中的初步应用.
1 实验设备中国科学院连续变Mach数直联实验台[13]包括烧氢补氧可调加热器, 可调Laval喷管, 通过可调加热器以及喷管配合, 实现连续变化的来流Mach数和飞行总温及总压, 设备组成如图 1所示, 设备描述参见文献[13].总温调节范围为800~1 900 K, 模拟连续变化飞行Ma=4.5~6.5.试验段包括截面为80 mm×40 mm的等截面隔离段和对称双凹腔燃烧室模型.两对凹腔深度均为17 mm, 长度为65 mm, 倾角为22.5°, 其间距为150 mm.采用火花点火器点火, 煤油和引导氢在凹腔上游垂直喷注.第1对凹腔的两侧安装石英窗口, 以实现流场可视化.本文主要关注超声速横向射流燃烧特性, 观测区为隔离段出口燃料喷注点周边.
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| 图 1 直连式超声速燃烧实验设备的配置[13] Fig.1 Configuration of direct-connected supersonic combustion test facility[13] |
激光诱导荧光聚焦纹影系统的原理与传统聚焦纹影相同, 如图 2所示[14], 不同之处在于采用小于10 nm的脉冲宽度, 单脉冲能量约1 mJ的激光作为光源, 并通过诱导荧光降低聚焦纹影系统光照中的相干噪声, 激光光源经过扩束满足照明区域需求.聚焦纹影系统中有两对光学共轭平面:源格栅与刀口栅、测试区与测试区像平面.其中源格栅与刀口栅的明暗相间条纹为成比例负相, 通过刀口栅部分遮挡源格栅以实现纹影功能.测试段的后成像透镜组须尽可能地靠近测试区, 使系统具有较小的急剧聚焦深度.
2 聚焦纹影系统设计
本文的聚焦纹影系统建立在Weinstein[7]、谢爱民等[9-10]的基础上设计而成.设计主要参数有表征系统灵敏度的光线最小偏折角εmin, 由单缝衍射判据决定的测试区最小分辨率ω, 急剧聚焦深度DS, 非急剧聚焦深度DU以及混合线对数ϕ.
光偏角代表系统能够检测到最小密度梯度的变化, 与光线相对于刀口栅的垂直运动有关, 在图像中表现为亮度的变化.如果选择亮度变化最小值为10%, 聚焦纹影系统的光线最小偏折角εmin为
| $ \varepsilon_{\min }=20626 a L /\left[L^{\prime}(L-l)\right] \text { arcsec } $ |
其中, a代表刀口栅50%切光时光源像高的一半[14], L, L′, l, l′为如图 2所示的光路参数, 由实验环境确定.光线最小偏折角εmin与a成正比, 因此须减小a以提高系统的灵敏度[6].
另一个重要参数为测试区最小分辨率.聚焦纹影系统的分辨率受光学元件的衍射效应与非衍射效应共同影响[7], 通常假设系统的分辨率仅受光学元件衍射效应的影响.对于聚焦纹影系统, 刀口栅的衍射效应最大程度地限制分辨率, 可用光源的波长λ, 刀口栅狭缝的宽度b和光路参数等表示为
| $ \omega=\frac{2\left(l^{\prime}-L^{\prime}\right) \lambda}{\frac{l^{\prime}}{l} b} $ |
聚焦深度是衡量系统聚焦能力的重要指标. Weinstein[7]定义聚焦深度为急剧聚焦深度DS和非急剧聚焦深度DU.急剧聚焦深度DS表示由失焦导致的分辨率损失超过光学系统分辨率的深度，DS为
| $ D_{\mathrm{S}}=\frac{2 \omega l}{A} $ |
非急剧聚焦深度DU表示由于失焦导致的分辨率损失超过流量相关的某个阈值δ的深度，DU为
| $ D_{\mathrm{v}}=2 \delta \frac{l}{A} $ |
其中, A为纹影透镜的孔径, 通常假设δ=2 mm.
此外, 如果刀口栅线宽间距过大, 仅有一小部分的线对用于形成图像, 导致图像中出现刀口栅形状. Weinstein定义图像单点混合线对数ϕ为
| $ \phi=\frac{A N\left(l^{\prime}-L^{\prime}\right)}{2 l^{\prime}} $ |
其中, N代表每单位尺寸刀口栅的行数.为了获得较好的图像质量要求ϕ>8.
聚焦纹影系统调试过程中, 刀口栅的制作工艺往往限制了各设计参数的选择范围, 通常使用遮光和暗室处理方法进行制作, 过程较为繁琐复杂.微米级透光光栅的加工精度可通过线切割金属加工方式实现, 但伴随金属光栅自重形变等问题, 而高精度光刻法制作刀口栅的面积大小受限且价格昂贵.因此综合考虑经济性、幅面大小以及聚焦纹影系统设计要求.本文所用刀口栅通过在透光薄膜上使用高精度激光喷墨打印的方法进行制作[7], 该方法须确保所选打印机与图像分辨率匹配.
由于光学元件及系统实际精度与设计精度存在误差, 急剧聚焦深度理论值仅为设计参考, 风洞实验过程中通常由可聚焦超声速射流偏离最佳焦平面的距离来确定系统的实际聚焦能力DF[5], 本文所述系统实测DF为±(5~10)mm. 表 1总结了设计聚焦纹影的主要参数.
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下载CSV 表 1 聚焦纹影系统参数 Tab.1 Specification of focusing schlieren system |
图像处理过程可实现两个目的:阴影校正及降噪, 总体流程如图 3所示.阴影校正过程处理聚焦纹影图像中存在的不均匀照明问题, 如图 4(a)所示.采用Kouchi等[5]的方法:原始图像减去背景图像进行校正.首先, 为了获得每幅图像的背景图, 使用Gauss低通滤波器对原始图像进行滤波处理.其次, 用原始图像减去背景图得到阴影校正图.将阴影校正图的像素值线性映射到0~255以增强对比度. Gauss低通滤波器的参数会影响处理结果，因此对比了Gauss滤波器不同方差和滤波核大小的滤波效果，如图 5所示.较小的σg值或较小的滤波核大小均会使得射流结构模糊，因此选用σg=50, 滤波核大小为401×401像素的Gauss滤波器进行后续处理.阴影校正之后的图片如图 4(b)所示.在降噪过程中采用均值滤波器去除椒盐噪声.均值滤波器的窗口越大, 图像越模糊, 图像失真越严重.本文采用滤波核窗口大小为3×3像素的均值滤波器来处理椒盐噪声. 图 4(c)为降噪处理之后的图像.尽管图像边缘仍存在部分椒盐噪声, 图像中部的椒盐噪声已明显降低.实验结果图片并没有出现激光光源图像所具有的相干噪声, 证明激光诱导荧光聚焦纹影系统的可行性.
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| 图 3 图像处理流程图 Fig.3 Flowchart of image processing |
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| 图 4 图像处理过程中的代表图 Fig.4 Typical images in image processing |
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| 图 5 不同方差和滤波核大小的Gauss滤波器效果 Fig.5 Filtered images by Gaussian filters with different standard deviations and kernel sizes |
本文给出激光脉冲聚焦纹影在连续变Mach数超声速横向射流和燃烧流场测量的初步应用. 图 6为隔离段和燃烧室入口的非反应引导氢横向射流的典型图像以及局部放大图.在横向射流前方, 可见弓形激波结构.此激波与壁面之间有较大抬升.在弓形激波的后方, 超声速主流与欠膨胀射流相互作用形成剪切面, 产生大尺度结构.大尺度结构随着弓形激波向后弯曲, 控制近场射流与主流的混合.在大尺度结构下方的图像亮度较高区域是欠膨胀射流所形成的Mach盘结构.需要注意的是, 图片中间的另一个激波是由喷块安装缝隙引起的.以上结果可以看出, LIF-FS能够捕捉到超声速非反应横向射流的结构.
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| 图 6 凹腔上游非反应引导氢横向射流LIF-FS图 Fig.6 LIF-FS image of the non-reactive transverse jet injection upstream of the cavity |
超声速燃烧场的LIF-FS如图 7所示.图中可见下游燃烧室释热引起的上行激波串结构后期通过将LIF-FS图像与同光路火焰化学发光CH*二维成像及激光诱导荧光PLIF结合, 可以获得流动-火焰相互作用关系, 辅助认知超声速燃烧-流动耦合机理.
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| 图 7 燃烧诱导激波串反应流的LIF-FS图 Fig.7 LIF-FS image of the reacting flow with shock train induced by combustion |
本文在传统聚焦纹影系统基础上发展了激光诱导荧光聚焦纹影系统.创新点在于使用激光诱导荧光染料, 以荧光作为光源消除原本激光光源中的相干噪声.最后开展了变Mach数超声速燃烧实验, 得到以下结论：
(1) 提出了激光诱导荧光聚焦纹影(LIF-FS)方法结合激光诱导荧光与聚焦纹影技术:该系统使用激光诱导荧光作为聚焦纹影光源, 降低激光光源的相干噪声影响.并针对阴影校正和图像降噪发展了图像处理方法, 进一步提高了成像质量.
(2) 以隔离段出口为观测区域, 开展了激光脉冲聚焦纹影在连续变Mach数风洞的初步应用, 观察到非反应横向射流的大尺度结构等以及燃烧场中上行激波串结构.未来工作主要为将该系统应用在不同测量区域, 获得更多的超声速燃烧流场信息, 发展基于LIF-FS的流场定量化分析手段以及燃烧诊断技术同光路设计方法.
致谢 感谢国家自然科学基金(11872366, 91941104)资助.感谢高占彪工程师的宝贵技术支持.| [1] |
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