高超声速内转式进气道及隔离段流场的壁面丝线显示方法与流程

本发明属于流体力学技术领域，具体涉及高超声速内转式进气道及隔离段内部流场的一种显示方法。

背景技术：

高超声速内转式进气道对气流的捕获和压缩效率较高，气动阻力较小，并且易与圆形燃烧室融合，这些优势引起了国内外研究者的广泛关注。由于内转式进气道特殊的三维结构形式以及由此产生的三维流动很复杂，传统的纹影方法与压力测量方法所能得到的流场信息更加有限，难以对内转式进气道的三维流动结构获得全面的认识，更深入和细致的分析与理解也不易进行。

壁面丝线显示方法能够显示壁面附近的动态丝线流谱，从而可以判定流动方向和流动类型，在低速流动领域已经得到了广泛的应用和发展。文献“激波风洞内超燃冲压发动机三面压缩进气道流场实验观测”(黄舶)将壁面丝线显示方法拓展应用到激波风洞中，观测到高超声速三面压缩进气道构型外压缩壁面和侧壁面上的丝线流谱。文献“高超声速内转式进气道流动的壁面丝线显示”(李祝飞)进一步将该方法应用在高超声速内转式进气道的外压缩面上，直观、动态地显示出外压缩面壁面附近的流动分离区范围，并用来判定内转式进气道是否起动。然而，这些尝试难以直接应用到内转式进气道及隔离段的内部流动环境中。因此，需要发展合适的流场显示方法与测量手段，以获得内转式进气道及隔离段内流道复杂的三维流动信息。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种针对高超声速内转式进气道及隔离段内部流场的显示方法，观测其内部流场信息，以认识与理解内转式进气道及隔离段内部复杂的三维流动结构。

本发明的目的通过以下方式实现，一种高超声速内转式进气道及隔离段流场的壁面丝线显示方法，高超声速内转式进气道及隔离段内流道的部分壁面使用透明材料置换；一侧的透明壁面用作观测，在另一侧的透明壁面上加工多排微孔；丝线经微孔逐一穿入内流道后，在壁面外侧粘牢；在粘有丝线的透明部件的外壁面粘贴背景纸，增大丝线与作为背景的透明部件的对比度；实验时，用光照射在背景纸上，同时从另一侧拍摄内部流场的壁面丝线流谱；借助空间排列位置已知的多排丝线微孔，可以对丝线流谱图片进行光学畸变修正，使观察到的内部流场结构更加准确可靠。

进一步的，高超声速内转式进气道及隔离段的内流道部件包括进气道内压缩段和隔离段，可以对其中一部分进行观测，也可以几部分一起观测。

进一步的，所要观察的内流道壁面可以全部采用透明材料加工，也可以仅在壁面上下两侧或左右两侧嵌入一对透明的安装块，透明材料需要保证一定的透光性，以保证拍摄的丝线图片清晰可见。

进一步的，内流道外壁面的型线可以修改成简单的形状，以减小光学畸变，也可以不进行修型。

进一步的，透明壁面上加工的微孔应尽量与内壁面保持垂直，微孔位置可以任意，微孔的排列形式可以是方形、圆形阵列等整齐排列，也可以不整齐排列。

进一步的，透明壁面上丝线穿入微孔后，在壁面外侧进行粘贴，也可以在微孔内注入胶水进行固定，或直接在内壁面粘贴丝线。

进一步的，为增大丝线与作为背景的透明部件的对比度，在壁面外侧粘贴透光性好且均匀的白色纸片作为背景，也可以采用其它材料或其它颜色。

进一步的，从丝线位置对应的另一侧壁面拍摄，拍摄角度可以调节，也可以在丝线的同侧进行拍摄。

进一步的，借助空间位置已知的多排丝线微孔，可以对丝线流谱图片进行光学畸变修正，也可以通过其他方式修正，甚至不修正。

本发明的原理说明如下：

高超声速内转式进气道及隔离段的内流道部件包括进气道内压缩段和隔离段，下面以隔离段为例进行说明：

1)高超声速内转式进气道及隔离段模型的隔离段使用透光性好的透明材料加工而成，内壁面仍然采用原来的内流道型线，外壁面的型线设计成简单形状，如方形或圆形等，以减小光学畸变；或者隔离段的主体采用常规不透明材料，而在隔离段壁面左右或上下两侧嵌入一对透明的安装块，该安装块的内壁面仍保持原有内流道的型线，外壁面的型线设计成简单形状；

2)对隔离段一侧的透明壁面不作处理，用作观测，而在另一侧的透明壁面上，加工多排微孔，微孔尽量与内壁面保持垂直，微孔的排列方式、间距和覆盖范围，可视观测需要而定；

3)将长度适中的丝线，逐一穿入已经加工好的微孔，保持丝线自由的一端在内流道，另一端在微孔内，用少量的胶水从外壁面粘牢丝线，同时密封微孔，这种丝线粘贴方法不仅可以保证丝线有足够的自由度以跟随当地气流的方向，而且对内部流场的干扰较小；

4)待丝线粘贴完毕后，对粘贴有丝线的透明部件的外壁面进行处理，以增大丝线与作为背景的该透明部件的对比度，如在外壁面粘贴透光性好且均匀的白纸作为背景，也可以采用其它半透明材料或其它颜色；

5)进行风洞实验时，用一束光照射在粘有丝线的部件上，利用透射光显示丝线流谱，在另外一侧进行拍摄；

6)由于透明壁面的三维形状复杂，拍摄到的丝线流谱图片可能会发生光学畸变，此时，借助空间位置已知的多排丝线微孔，可以对丝线流谱图片进行光学畸变修正，从而得到准确的丝线流谱。

高超声速内转式进气道及隔离段的其它内流道部件也可以根据上述方法进行观测。

本发明与现有技术相比，有如下优点：

(1)本发明的高超声速内转式进气道及隔离段模型的内流道壁面部分采用透明材料加工，结合壁面丝线显示方法，能够获得内部流场的壁面丝线流谱；

(2)本发明采用壁面微孔固定丝线，不仅可以保证丝线有足够的自由度，以跟随气流的方向，而且减小了对内部流场的干扰；

(3)本发明采用的光路简单，可以直接进行丝线流谱的拍摄，视场范围大；

(4)本发明借助壁面上空间排列位置已知的多排丝线微孔，可以对三维壁面所造成的光学畸变进行修正，使观察到的内部流场结构更加准确可靠。

附图说明

图1是本发明用于高超声速内转式进气道及隔离段内部流场显示方法的一个实例的示意图。

图2是本发明用于高超声速内转式进气道及隔离段内壁面的丝线分布的一个实例的示意图。

图3是本发明用于内转式进气道内压缩段的内部流场显示方法的一个实例的示意图。

图4是本发明用于壁面嵌入一对透明安装块的进气道内压缩段的内部流场显示方法的一个实例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术解决方案、以及优点和积极效果更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明用于高超声速内转式进气道及隔离段模型的隔离段内部流场显示方法的一个实例的示意图，如图1所示，内部流场显示方法包括进气道外压缩段1，进气道内压缩段2，隔离段3，光源4，透镜5，光路6，高速摄影机7。

具体实例中，进气道外压缩段1与进气道内压缩段2共同加工，也可以分开加工后再进行连接；隔离段3采用透明材料单独加工，然后与进气道内压缩段2通过法兰连接；隔离段3的内壁面仍然采用原来的型线，外壁面的型线采用圆柱形简化；在隔离段3壁面的一侧加工多排微孔；将丝线穿入微孔中，并在壁面外侧将丝线粘牢；然后在壁面外侧紧贴一张白色纸片作为背景。

工作原理：风洞实验时，光源4发出的强光，经过透镜5进行发散，光路6照射在隔离段外壁面的背景纸上，透射光照亮观察区内所有的壁面丝线；在隔离段的另外一侧，用高速摄影机7进行直接拍摄，获得风洞实验条件下壁面的丝线流谱。

图2是本发明用于高超声速内转式进气道及隔离段内壁面的丝线分布的一个实例的示意图，图2给出了图1实例中隔离段内壁面上的丝线分布情况。如图2所示，内壁面的丝线分布包括隔离段3和壁面丝线101。具体实例中，壁面丝线101布置在隔离段3一侧的内壁面上，共有30×6根丝线，丝线之间的流向距离和展向距离分别保持一致，丝线长度也尽量保持一致；壁面上约束丝线根部的微孔的直径不能太大，以减小对流场的干扰。工作原理：在隔离段3一侧的壁面上加工多排微孔，微孔尽量垂直于内壁面；将壁面丝线101插入微孔，使丝线在壁面内部保持一定的长度，之后在壁面外侧剪断丝线并将丝线在微孔中的一端粘牢；最后在壁面外侧粘贴透光性好且均匀的白色纸片作为背景。

图3是本发明用于进气道内压缩段的内部流场显示方法的一个实例的示意图，图3与图1实例相比，两者所用的方法相同，应用部位由隔离段换成了进气道内压缩段。如图3所示，进气道内压缩段的内部流场显示方法包括进气道外压缩段1，进气道内压缩段2，连接法兰102。具体实例中，进气道外压缩段1与进气道内压缩段2分开加工，由连接法兰102进行连接，法兰设计在壁面内侧，以减小对壁面外侧流场的干扰；进气道内压缩段2采用透明材料加工，其一侧的壁面上加工多排微孔，微孔尽量与内壁面保持垂直；将丝线穿入微孔中，并在进气道内压缩段的壁面外侧将丝线粘牢，然后在壁面外侧紧贴一张白色纸片作为背景。工作原理与图1实例类似。

图4是本发明用于壁面嵌入一对透明安装块的进气道内压缩段的内部流场显示方法的一个实例的示意图，与图3实例相比，两者都是应用在进气道内压缩段，但是图4实例中的壁面并没有全部透明化，只是在两侧壁开槽并嵌入透明安装块。如图4所示，壁面嵌入一对透明安装块的进气道内压缩段的内部流场显示方法包括进气道外压缩段1，进气道内压缩段2，可拆卸透明安装块103，可拆卸透明安装块的盖板104。具体实例中，进气道外压缩段1与进气道内压缩段2一起加工，其中对进气道内压缩段2的外壁面形状进行简化；在内压缩段2两侧设计贯通的槽，装入可拆卸透明安装块103，并用盖板104加固；可拆卸透明安装块103的内壁面仍然采用原来的内流道型线，外壁面的型线为方形；在一侧的可拆卸透明安装块103加工多排微孔，微孔尽量垂直于内壁面；将丝线穿入微孔中，并在进气道内压缩段的壁面外侧将丝线粘牢；然后在壁面外侧紧贴一张白色纸片作为背景。工作原理与图3实例类似。

以上所述的具体实例，对本发明的目的、技术解决方案、以及优点和积极效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。