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1、第15卷 第3期实 验 力 学Vol.15No.32000年9月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSSep.2000文章编号:100124888(2000)0320269206a连续信号激光—超声旋涡测量技术张彬乾,李建英,宋宙模,谢拴勤(西北工业大学,西安 710072)摘要:介绍了一种新的激光超声测量技术连续信号激光—超声旋涡测量技术.用连续波超声信号记录流场参数(速度)变化.其主要优点是:降低对超声换能器的要求;不需要高能量激光光源;可以对旋涡流场进行定量的非接触测量.关键词:激光—超声技术,旋涡测量,超声连续信号中图分类号:V21
2、1.71;TN249;TB559 文献标识码:A1 前言 人们在研究旋涡流动时,很关心旋涡的破裂特性和稳定性,但旋涡破裂现象对插入流场的探头非常敏感.因此,非接触测量技术越来越受到重视,例如LDV,PIV等.但有些情况下,如涡核处的流动测量,即使使用LDV或PIV技术,由于涡核处粒子稀少,也使测量变得困难.激光—超声测量技术的一个显著特点是无需在流场中注入粒子,用超声信号记录流场参数(速度)变化,因此可以对旋涡场中任何一点处的流动进行准确的瞬时定量测量,为研究旋涡流动的稳定性与破裂特性提供了有力的测量手段.早在1956年,德国哥廷根流体力学所的DWSchm
3、idt就用超声脉冲信号对速度场进行了成功的精确测量,当时是用一个接收探头,逐个发射和接收超声脉冲的方法进行测量,测量工作量很大,耗时很多.此后,引入光学方法,用普通光束的偏转记录超声脉冲的传递,并于1975年由DWSchmidt再次实现了对旋涡场的测量.1987年,哥廷根大学的RH[1]Engler发表了在1m量级的椭圆形开口风洞中用激光—超声脉冲信号测量技术获得的展弦比为1.6细长三角翼旋涡的环量和周向速度分布及其涡旋破裂特性的测量结果,与[2][3]Ludwieg和Hall理论结果吻合很好,这是目前看到的用现代激光技术与超声技术结合进行旋涡场测量的最早报道.
4、a收稿日期:1998209211;修订日期:1999203228基金项目:“八五”、“九五”国防科工委气动预研课题作者简介:张彬乾(1952-),男,西北工业大学飞机系教授.从事空气动力学和飞机总体设计学科领域的研究.©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2 实 验 力 学 70(2000年)第15卷 由于激光—超声脉冲信号测量技术采用麦克风式超声换能器,其振动膜片的制造工艺要求很高,且使用寿命短;同时要求较高能量的激光光
5、源,使激光—超声测量技术在实际使用中遇到困难.根据国内技术现状,本文给出激光—超声连续信号测量技术,即超声信号以正弦波连续发射.2 测量原理 激光—超声测量技术建立在声—光干涉基础上.当超声波在流体中传播时,由于光弹效应使流体介质折射率发生周期性变化,形成超声光栅,激光束通过该光栅时发生衍射,使激光束方向发生偏转,产生声光偏转效应(图1).用激光束偏转来记录超声信号在流场中传递时间的变化,以此实现对流动速度、旋涡环量等参数的测量.图1 声—光测量原理 图2 流场声—光测量原理通常在流场测量中采用图2所示的声—光测量原理装置,两束激光之间的距
6、离S是确定的,当超声信号通过两束激光时,形成瞬时光栅使激光偏转,在两个位移传感器上分别记录超声信号,并以此可得到超声脉冲在两束光之间的传递时间.对于真实流动中的螺旋型旋涡,各剪切层之间的流动可以看作为势流,于是应用Hamel-Oseen旋涡模型,则螺旋型旋涡流动诱导的传递时间差为3$tw=t0-(t1+ti′)=f(y,rn,#0,$#i)式中:t0为速度为零时,超声信号在两束激光间距离S上的传递时间;t1为有Hamel-Oseen旋涡时,超声信号在两束激光间距离S上的传播时间;ti′为有势流涡图3 三角翼的旋涡结构和环量分布测量结果3时,超声信号在两束激光间距
7、离S上的传播时间;y为超声探头测量位置;rn为第n个剪切层半径;#0为涡核半径r0处的速度环量;$#i为第i个剪切层ri处的速度环量增量.根据势流理论,剪切层之间的周向速度沿径向随1ör减小,旋涡速度分布曲线上的跳跃显然相当于相邻剪切层带来的附加速度环量.由于$tw反映速度环量的大小,因此,周向速度分布曲线上的跳跃点就指出了剪切层在y轴上的位置.一旦得到跳跃点在y轴的位置,就[4]可由测量结果给出如图3所示的螺旋型旋涡,图中也给出了$tw的测量点和最佳拟合曲线,拟合曲线可由测量数据和旋涡理论模型计算得到.©1995-2004TsinghuaTongfangOpt
8、icalDiscCo.,
