[发明专利]基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统

说明书

本发明涉及一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF(Plane Laser Induced Fluorescence，平面激光诱导荧光)成像诊断系统，包括激光光源系统、片状光束整形系统、PLIF图像探测系统和丙酮示踪剂供给系统，将丙酮作为示踪粒子，在常规高超风洞的真空环境下进行粒子投放，得到其在高超声速流场中的荧光信号，应用PLIF测量技术，获得了高超声速流场的二维图像。

技术领域

本发明涉及一种成像诊断系统，是一种对高超声速外流场进行非接触测量的流场显示诊断系统，属于流场测量技术领域。

背景技术

高超声速PLIF(Plane Laser InducedFluorescence，平面激光诱导荧光)成像诊断测量技术是一种新型无干扰流场测试技术，可实现浓度场与温度场的高精度可视化测量。它具有非介入测量，不干扰流场；时间分辨率ns量级，可提供流场瞬态信息；空间分辨率可达μm量级，可获得高精度流场空间结构信息以及抗干扰能力强等优点。近年来，在流场测量领域，越来越受到关注。该系统可用于获取跨声速流场、超声速流场以及高超声速流场的二维图像，为该速域飞行器涉及提供技术支撑，检验完善了飞行器仿真设计模型，保证了高超飞行器试飞成功。目前仅美国NASA可以成熟地开展了相关流场的高超声速PLIF成像诊断。

对于流场测量来说，高超声速PLIF成像诊断测量技术需要在流场中补充示踪粒子(剂)。以美国NASA为例，其试验中所用的示踪剂为一氧化氮(NO)。NO常温下为气体，有毒性，并且常规高超声速风洞下游为密封的真空容器，因此如采用NO作为示踪剂将具有一定的危险性。

丙酮(CH₃COCH₃)是一种无色、无毒、有特殊辛辣气味的气体。易溶于水、醇和醚。其在常温下是液态，易挥发，沸点为56℃，分子量为58。将其选用为示踪剂是高速PLIF成像诊断测量的极佳的选择。但是根据以往公开的文献以及计算，在风洞喷管前的稳定段内进行示踪粒子的投放无法满足PLIF试验条件，具体原因是气流经过稳定段后进入喷管，过喉道后急剧膨胀，静温急剧降低，加热挥发出的丙酮蒸汽易液化，且主流气流量较大，示踪剂浓度无法达到要求。

发明内容

为了克服现有PLIF成像诊断测量技术采用NO(g)作为示踪剂对实验人员造成的伤害，本发明设计了一种基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统。该系统不仅克服了丙酮在高超声速流场中易液化的缺陷，同时保证了测量试验的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统，所述基于丙酮示踪剂的高超声速PLIF成像诊断系统包括激光光源系统、片状光束整形系统、PLIF图像探测系统和丙酮示踪剂供给系统。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的激光光源系统采用Nd:YAG激光器，其激光重复频率和单脉冲激光能量可根据拍摄对象，进行调节。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的片状光束整形系统是激光器发出的激光经过爬高光路到达导轨，然后选取激光能量均匀的部分，经过片光整形光路整形成一定宽度和厚度的片光，最后经由大口径的反射镜将片光反射入高超声速风洞实验装置中。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的PLIF图像探测系统由成像镜头和滤光片组成，根据示踪剂的荧光光谱特性，选择带通滤光片，在示踪剂辐射荧光光谱范围内，滤光片透过率大于95％，并有效截止散射光。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的丙酮示踪剂供给系统采用丙酮作为示踪剂，将丙酮投入到高超声速气流主流中去，以进行PLIF流场可视化实验。

作为本发明的一种优选技术方案，要根据激光能量强度，计算丙酮的体积分数。具体的计算方法如下：