双波长NO-PLIF测量运动激波反射前后温度场的初步研究

摘要

在激波管中以平面运动激波沿固壁和斜劈的规则和Mach反射为对象，本文初步开展了双波长NO-PLIF测温的初步研究。主要内容如下：
　　 (1)第一章简要介绍了研究背景、国内外相关进展和本文主要内容等。
　　 (2)第二章介绍了本文采用的激波管实验装置和NO-PLIF测量系统。对激波管进行了改造，采用电控破膜可明显提高实验重复性，减小了运动激波速度偏差。通过时间同步控制系统，实现激波管电控破膜和PLIF系统的联动。实验表明：本文条件下，激波速度波动较小且重复性好、激波速度偏差小于1％。改变激波管高低压段压比，可获得温度范围为室温～1700K左右。
　　 (3)针对不同实验工况，第三章开展了NO-PLIF温度测量研究。包括平面入射激波及其完全反射温度场、平面运动激波规则和Mach反射温度场，比较了温度的测量值、估算值(基于激波关系)和CFD计算值。主要内容简述如下：
　　 ●对静止和常温(300K)混合物(98％N2+2％NO)，利用NO-PLIF测量了温度分布。所测温度为304±15K，相对误差小于5％。这就验证了NO-PLIF测量系统可行性和温度反演算法的可靠性。
　　 ●测量了平面入射激波前后温度场。当波前温度为300K、高低压段压比为25.5，由激波关系得到波后温度估算值为665K，所测激波前后温度分别为295K±20K和620K±50K，相对误差小于10％。当高低压段压比为88.1，由激波关系得到波后温度估算值为980K，所测温度激波前后温度分别为340K±30K和1000K±150K，相对误差分别小于10％和15％。
　　 ●测量了平面反射激波前后温度场，并与CFD计算结果进行了对比。当高低压段压比为25.5，反射激波前后温度估算值分别为639K和1065K，所测温度分别为630K±50K和980K±100K，相对误差小于10％。当高低压段压比为88.1，反射激波前后温度估算值分别为951K和1653K，所测温度分别为950K±70K和1500K±250K，相对误差小于15％。
　　 ●在与上相同的两种压比下，测量了平面运动激波沿550斜劈的规则反射流场温度分布，并与CFD计算结果进行了对比。当压比为25.5，CFD得到的入射和反射激波前后温度分别为300K、664K和996K。所测温度分别为320K±20K、630K±40K和1030±100K，相对误差小于10％。当压比为88.1，CFD得到的入射和反射激波前后温度分别为300K、951K和1533K。所测温度分别是330K±50K、950K±150K和1600±200K，相对误差在15％以内。显然，当被测温度越高，其相对误差也越大。
　　 ●在与上相同的两种压比下，对激波在15度斜劈上的马赫反射流场的温度分布进行了测量，并与数值模拟结果进行了对比。在压比为25.5的工况下，数值模拟得到的波前、波后、反射区温度分别为300K，666K，766K，双波长NO-PLIF方法反演得到的温度分别是310K±20K，590K±70K，870±130K，相对误差均在15％以内。而且，温度越高，相对误差越大。在压比为88.1的工况下，数值模拟得到的波前、波后、反射区温度分别为300K，956K，1133K，双波长NO-PLIF方法反演得到的温度分别是320K±40K，850K±150K，1150±150K，相对误差在15％以内。而且，温度越高，相对误差越大。
　　 ●简要分析了NO-PLIF测温的误差来源。
　　 (4)第四章给出了本文主要结论和后续工作建议。
　　 本文主要特色和创新之处为：
　　 (1)国外在PLIF定量测量温度和组元浓度方面取得了相当的进展，本文是在激波管上开展了NO-PLIF测量平面运动激波正反射、规则反射和Mach反射的温度场，并与利用激波关系和数值计算得到的温度估算值和计算值进行了比较，初步摸清了NO-PLIF测温的技术难点和误差范围、主要误差来源。应该说，NO-PLIF用于脉冲设备产生的非定常流场测温难度要大于连续流场测量。
　　 (2)基于荧光强度和温度的关系式，提出并合作研制了温度反演数据处理软件。基于该软件，可对分次拍摄的NO-PLIF图像数据进行加减等运算，给出沿指定直线或区域的温度分布。这对PLIF测温法的工程应用推广是有益的。