[发明专利]一种分子标记二维速度矢量测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种分子标记二维速度矢量测量装置和方法，包括标记激光器、显示激光系统、ICCD相机、延迟发生器和激光整形装置；标记激光器的输出激光经整形为线状光束，显示激光系统的输出激光经整形为片状光束，显示激光的片状光束处于待测流场内，标记激光的线状光束垂直入射到显示激光片状光束的所在的平面内，ICCD相机正对片状光束成像，延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光系统和ICCD相机。本发明利用标记激光线与显示激光片的交点作为流场标记点，通过跟踪标记点在测量平面的位移实现流场速度矢量的测量，与目前常用装置相比，光路系统相对简单，标记位置识别更加容易。

技术领域

本发明属于流场速度测量相关技术领域，特别是一种适用于二维速度矢量的分子标记测量装置和方法。

背景技术

流场特性研究中，需要精确的流场速度数据，用于对流场结构、流场动力学分析以及对计算模型的修正。基于激光的非接触速度测量方法是目前常用的速度测量手段，包括激光多普勒测速技术(Laser Doppler velocimetry,LDV)，粒子成像速度测量技术(Particle image velocimetry,PIV)等。

分子标记速度测量技术(Molecular tagging velocimetry,MTV)是利用流场中的某些分子作为流场标记，通过它们在单位时间内的位移进行流场速度测量的一类技术。它通常利用脉冲激光与流场中某些选定的分子进行相互作用改变分子特性，在激光束上产生具有一定寿命的标记分子，然后通过激光诱导荧光的方法对这些标记分子进行显示，通过跟踪它们在流场中的运动来进行速度计算。由于不需要在流场中撒入粒子，没有流场跟随性问题，能够得到高精度的速度测量结果。产生分子标记的方法有许多种，比如，羟基分子标记速度测量(Hydroxyl tagging velocimetry,HTV)技术利用波长193nm的ArF准分子激光解离流场中的水得到寿命大于几十微秒的OH，再利用OH的平面激光诱导荧光(Planarlaser induced fluorescence,PLIF)对它们在跟随流场的位移情况进行显示，即可实现对流场速度的测量。

通常情况下，将标记激光束和显示激光片调整到同一个平面内，在该平面内观测标记激光产生的标记线跟随流场的移动进行流场速度测量。采用单条(Andrea G.Hsu,Molecular tagging using vibrationally excited nitric oxide in anunderexpanded jet flowfield.AIAA JOURNAL,2009,47(11):2597-2604)或平行的几条标记线(Brett F.Bathel等,Multiple velocity profile measurements in hypersonicflows using sequentially-imaged fluorescence tagging.AIAA 2010-1404)时通常将标记线的方向与流场的主流动方向垂直布置，可以沿标记线得到流场在主流动方向的速度分量。当流动比较复杂时，为了得到流场的二维速度矢量信息，较常采用的方法是将标记线整形为交叉网格，通过跟踪网格中交叉点的运动实现对该处流场的二维速度矢量的测量，布置多个交叉点则可获得平面内的速度矢量分布。这种方法应用较为普遍(C.P.Gendrich等,Molecular tagging velocimetry and other novel applications of a newphosphorescent supramolecule.Experiments in Fluids,1997,23:361-372；L.A.Ribarov等,Multiline hydroxyl tagging velocimetry measurements in reactingand nonreacting experimental flows.Experiments in Fluids,2004,37:65-74)，但是所需的光路整形结构比较复杂，标记激光需从两个不同的方向入射，对标记激光网格和显示激光片的共面要求也很高，尤其在光学窗口尺寸受到限制、运行环境也比较恶劣的发动机试验环境中，实现流场测试代价比较高。

发明内容