带喷流的超声速光学头罩流动显示

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1、2013年1月第39卷第1期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJanuary2013V01．39No．1带喷流的超声速光学头罩流动显示朱杨柱易仕和田立丰陈植(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要：在马赫数3．8的超声速风洞中，以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS，Nano—tracerbasedPlanarLaserScattering)技术为实验手段，研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构，清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结

2、构．通过分析时间相关的流场NPLS图像，可以发现流场结构随时间的演化特性．结果表明：无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态；有喷流情况下剪切层的层流区域较短，在很短的距离内转捩至湍流状态；喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前，光学窗口上方的涡结构也较为复杂．比较而言，后者对气动光学性能的影响更大．关键词：基于纳米示踪的平面激光散射；流动显示；气动光学；喷流中图分类号：V211．753文献标识码：A文章编号：1001．5965(2013)01-0105-04Flowvisualization0fsupersonicopticaldomewit

3、hjetZhuYangzhuYiShiheTianLifengChenZhi(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)Abstract：IntheMach3．8windtunnel，finestructuresintheflowfieldofopticaldomewithorwithoutjetwerestudiedbynano—tracerbasedplanarlaserscattering(NPLS)，whichhashi

4、ghspatiotemporalresolu—tion．Lotsofcomplexstructuresintheflowfieldwereclearlyvisible，suchasshockwave，expansionwave，shearlayerandturbulentboundarylayer．Theanalysisoftime—correlatedNPLSimagesrevealedthetemporalevolutioncharacteristicofflowstructures．Theresultsshowthatmostofflowabovetheopticalwindo

5、wwithoutjetcoolingislaminar．Thelaminarzonewithjetcoolingismuchshorterandtransitstoturbulenceinashortdistance．Thetransitionpointoftheshearlayerwithhigherpressureisclosertotheinjectorexit，andthevor—ticesaremorecomplex．Comparedtotheformer，thelattercasewillinduceaero-opticaleffectsevenmore．Keywords

6、：nano·tracerbasedplanarlaserscattering(NPLS)；flowvisualization；aero-optics；jet成像制导导弹在大气中作超声速飞行时，速度越高，其光学头罩受到的气动加热越严重．这不仅给光学头罩结构材料的强度与刚度带来不利影响，还会引起一系列的气动光学效应，降低目标分辨率，增大导弹的瞄视误差，因此必须对光学头罩的窗口进行冷却⋯．在窗El上表面射人冷却喷流，形成气膜以将外部热气流与窗口隔开，是光学窗口的冷却方式之一．引入喷流后，超声速光学头罩流场结构势必变得更为复杂，流场中同时出现激波、层流边界层、湍流边界层、超超混合层等复杂结构

7、，造成更为严重的气动光学效应．为揭示有无喷流的超声速光学头罩流场引起的气动光学效应机理，获得其流场精细结构就十分必要．传统的流动显示方法如纹影方法嵋1，存在时间分辨率和空间分辨率较低的缺点，且具有积分效应；干涉方法旧1，则成本太高并且易受外界环境干扰的影响；激光诱导荧光(LIF，LaserInducedFluorescent)方法¨1是20世纪80年代发展起来的一种非接触收稿日期：2011—10-28；网络出版时间：2012-03-0910：36网络出版地