[发明专利]高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统及方法

说明书

本发明公开了高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，其包括高速稀薄气体风洞(1)、激光光源模块(2)、激光光束整形模块(3)、高压电弧放电模块(4)、荧光信号采集和记录模块(5)、数据处理模块(6)和时序同步控制模块(7)。还有该系统的使用方法。

技术领域

本发明属于流场显示、稀薄气体和激光光谱测量相结合的技术领域，具体地涉及一种高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统，以及该高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统的测量方法。

背景技术

精确测量高速流场速度对掌握流场特征和修正数值计算模型具有关键作用，对研究流体力学和工程热物理具有重要价值。高速流场的复杂和非稳特性要求其速度测量需要非接触式光学测量方法。目前常用的非接触光学测速法主要分为三大类：第一类是基于粒子的激光方法，比如目前应用较多的粒子成像测速(Particle Image Velocimetry)等方法，其原理是基于气流中固有或外加的粒子，利用颗粒的光散射截面较大的原理，可得到较高的测速精度。但在超声速气流中，粒子对于气体分子的跟随性并不好，且在激波风洞等脉冲设备中，粒子的均匀添加也比较困难。

第二类是基于分子散射的激光测速方法，如：基于散射光的多普勒效应来测量速度，如瑞利散射测速(Rayleigh Scattering Velocimetry)方法和基于多普勒加宽的平面激光诱导荧光(Doppler-based PLIF Velocimetry)方法，但此类方法对于Doppler效应较大的高速压缩流比较适合，一般常用于高速高密度流场，因为Doppler效应偏小的低速流或者粒子数密度较低的流场会极大增加此类方法的测量误差。

第三类为时间飞行平面激光诱导荧光测速(Time-of-flight PLIF Velocimetry)法，也称为分子标识测速法(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)。它是一种直接测量流场中某些分子的速度从而实现流场速度测量的先进光学测量技术，具有无外物介入，不干扰流场，不接触测量，高时空分辨，且可实现多维测量，具有很高的理论精度。同时这种方法不仅适用于高速流也可用于低速流，而且不受目标流场状态的限制，可用于气流流场也可用于液体流场。它的原理是基于时间飞行距离(TOF)的速度测量法，就是利用V＝Δd/Δt，测量目标在时间Δt内行进的距离Δd，即可算出目标的速度。具体的实现过程就是通过激发目标分子的荧光先向气流中“写”入一条标记线，而后在一个固定的时间延迟“读”出此标记线的位置，采用时间飞行的方法，根据其移动距离来得到气流速度的。但现有的Molecular Tagging Velocimetry大多采用两束甚至多束脉冲激光，第一束或者前几束用来激发荧光(可采用Raman激发、光解或者离子化等方式)，也就是用于在气流中“写”出一条荧光线；第二束用于探测一定时间延迟后此荧光线的位置，即“读”出荧光线的位置变化，从而根据此延迟内荧光线的移动位移来确定气流速度。如基于氧分子或OH的受激喇曼激发加激光诱导荧光法(RELIEF)、Hydroxyl tagging Velocimetry(HTV)等。但这种多光束的MTV方法需要至少两套波长可精确调谐的激光光源系统，成本很高，调谐复杂，空间要求较高。

而目前已有报道的单束激光Molecular Tagging Velocimetry方法多采用在流场中添加或者直接激发流场中固有的联乙酰、丙酮或NO等分子或者钠或锶等金属原子。这些方法均不适用于高超声速稀薄气体流场(如用于研究再入式飞行器的稀薄气体电弧风洞)，此流场为高压电弧放电产生稀薄的高温等离子体流场，要求主要供气成分为氮气，可少量含有氢气等非氧化性气，不能含有氧气等氧化性气体。从而上述的人为加入联乙酰、丙酮或NO等分子不仅会电离还可能与稀薄气体流场中的高温等离子体成分发生化学反应，影响流场成分和结构，更严重的可能会损坏高压放电设备。而钠或锶等金属原子属于重量较重和惯性较大的金属原子，其跟随性在超高声速气流中是很大的问题，无法代表气流本身的速度。

发明内容