2O12年 2月 装备指挥技术学院学报 February 2O12 第23卷 第1期 Journal of the Academy of Equipment Command&Technology VolI 23 No.1 彩虹纹影定量测量实验方法研究 蒋冠雷 , 洪延姬 , 叶继飞 , 吴文堂 (1.装备学院研究生管理大队,北京101416; 2.装备学院基础部,北京101416) 摘 要 彩虹纹影定量测量技术可用于定量测量流场的密度梯度和密度 场,这一技术作为一种光学非侵流场测量技术在诸多典型流场的定量测量中有着广 阔的应用前景。实验以轴对称自由射流为研究对象,采用典型的“Z”字形纹影布局, 使用渐变彩虹滤光片代替普通刀口,进行了彩虹纹影定量测量实验;介绍了彩虹纹影 定量测量的原理,滤光片标定方法及数据处理过程。所提出的方法为定量流动显示 测量技术的应用提供了参考。 关 键 词 彩虹纹影;定量测量;彩虹滤光片;滤光片标定;Abel变换 中图分类号 O 436.1;TB 92文章编号 1673—0127(2012)01—0127—05 文献标志码A DOI 10.3783/j.issn.1673—0127.2012.01.028 Experimental Investigation of the Quantitative Measurement by Rainbow Schlieren JIANG Guanlei ,HONG Yanji。, YE Jifei , WU Wentang (1.Company of Postgraduate Management,the Academy of Equipment,Beijing 101416,China; 2.Department of Basic Theories,the Academy of Equipment,Beijing 101416,China) Abstract The technology of quantitative rainbow schlieren measurement can be used to measure the flow density grads and density of the flow field quantitatively.This technology can be widely used in a lot of typical flow field as a non—invaded optical measurement.The quantitative rainbow schlieren experiment takes the axis—symmetry free j et as a obj ect,using the typical”Z”schlieren system and re— places the edge with gradual rainbow filter.The quantitative measure theory。filter calibration means and the date processing of the rainbow schlieren are introduced in details.The technology supports a reference to the quantitative visual study of the flow measurement. Key words rainbow schlieren;quantitative measurements;rainbow filter;filter calibration;A be1 inversion 在现代超声速流场测量中,随着对于非接触 统的探针测量,利用彩虹纹影定量技术可以在不 式流场密度场定量测量需求的逐步增强,传统流 影响流场本身特性的前提下,满足密度场测量 场显示设备已很难满足观测需求。以彩虹纹影定 需求。 量测量技术为代表的光学显示技术备受关注,其 国外对于彩虹纹影定量测量的实验开展已有 显著特点是流场信息量大、非侵定量测量精度高、 40 a左右,其研究已较为成熟,日本 、美 、 成本低。特别是针对流场的密度场测量,相比传 荷兰_6 等国的学者都给出了较高精度的彩虹纹 收稿日期 2011-04—01 作者简介 蒋冠雷,男,硕士研究生.主要研究方向:航空宇航科学与技术.adolfe.ewlin.313@163.corn. 洪延姬,女,教授,博士生导师. 128 装备指挥技术学院学报 . 2012年 影定量测量结果。但国内在这方面的研究目前仅 限于介绍性的说明,未能找到有关实验方法和典 型应用的相关报道。 本文介绍一种基于典型的“Z”字形纹影布局 的彩虹纹影定量测量系统,对其系统配置,测量原 理,滤光片的标定,图像数据处理等方面进行了 研究。 1测量原理与实验配置 1.1光在变密度流场区域中的传播 如图1所示,光在变密度流场区域中传播时, 密度的改变导致折射率的改变,使光束产生了 偏转l8]。 图1光在介质中的传播 光在介质中的传播遵守惠更斯定理:介质中 任一波面上的各点,都可以看作是发射子波的波 源,其后任意时刻,这些子波在波的前进方向的包 络面就是新的波面。由于折射率变化导致波前的 光速发生变化,光束的方向也会发生变化,即可知 如下关系: … 一 (1) △z—f\ oC 1(2) 咒/ A 式中: 为介质的折射率;c。为光速。将式(2)代 入式(1),并作如下化简: ≈ 。≈ ,即可得折 射率和偏转角 的关系为 an dx 一 =..(3) aY … 1.2偏转角与彩虹滤光片的关系 如图2所示,由薄透镜理论可知:光线1平行 于光轴入射,则经过薄透镜将会聚于像方焦点,彩 虹滤光片即安装于该位置处。 其中, z为会聚透镜焦距,当入射的平行光 线不平行于光轴,即光线经过变密度流场区产生 折射角0,此时经过薄透镜将会聚于像方焦平面 上的某一点,焦平面是指通过焦点且垂直于光轴 的平面,设该点与光轴间的距离为a,过该点和会 聚透镜的光心可得一条光线3,由于该点是焦平 面上的点,该光线必平行于光线2,与光轴的夹角 也为0。则有 0≈tan 0一 _ (4) J M2 在彩虹滤光片作用下,不同的偏移量n即可 使得流场图像带有不同的颜色。 会聚透镜 图2偏折角0与滤光片位移n关系图 1.3密度场和折射率的关系 由Gladstone—Dale关系式可以得到密度场和 折射率的关系为 n— C 一1+KJ ‘D (5) 式中:p为流场的密度;K被称为Gladstone—Dale 常数,且K一2ha,a为气体分子或原子的极化率。 该参数取决于介质本身的性质和光的波长,也和 介质的温度和压强弱相关,表1中给出了K的参 考值r9】1。。 表1几种气体分子或原子的K参考值 种类 K/cm 5.14×10 24 6.62×10 24 1.104×10 23 7.1×10—24 1.06X10 23 4.8×10—24 10.84×10—24 由表1可以发现,这个值很小,可以忽略,将 式(5)代入式(3)后,可作如下简化: On1 anOn一 — ≈ —dx ,z av 1+K|0 av 。av K Oy(6) 由此,即可从式(4)和式(6)通过积分变换得 第1期 蒋冠雷,等:彩虹纹影定量测量实验方法研究 129 到流场的密度值。 1.4实验配置 图3为所使用的彩虹纹影定量测量系统。 图3 彩虹纹影定量测量系统照片 图4为与其相对应的实验系统简图,该系统 包括:①氙灯光源及透镜光阑组;②冷喷射流及 控制系统;③直径为150 mm纹影镜组;④直径 为100 mm反射镜;⑤彩虹滤光片和成像系统, 共5部分组成。 图4彩虹纹影定量测量系统配置图 其中,氙灯光源及透镜光阑组产生一道线光 源,直径为150 mm的纹影镜焦距为1.5 m,光源 和彩虹滤光片的分别位于2个纹影镜的焦点上。 高压气瓶中存贮的是约40 MPa的N ,经过减压 器后存贮于气池中,其气压降至2~3 MPa,喷嘴 为直径6 mm的直筒型喷嘴,可产生马赫数为1~ 3的欠膨胀自由射流。喷嘴的电磁阀受DG535 时序控制器控制,贮气池中的气体可维持约5 S 的稳定射流流量需要。相机为尼康D7O0数码单 反相机,可以达到4 256像素×2 832像素的空间 分辨率,1/8 00o S的曝光时间和12张/s的连拍 速度。 2滤光片的标定 使用彩虹纹影拍摄到的图像色彩鲜艳,其中 不同的颜色反映的就是光线通过流场区时,由于 密度不同而产生不同的偏转量,这一偏转量可以 通过标定得到。因此彩虹滤光片的制作与标定是 决定彩虹纹影定量测量技术关键,也是其区别于 黑白纹影的最大不同。实验中,彩虹滤光片的制 作过程是使用胶卷单反相机将所设计的滤光片拍 摄在胶卷底片上,直接使用冲洗后的胶卷底片作 为彩虹滤光片;需要根据拍摄时的光强选择合适 的曝光时间,根据光线在流场中的最大偏转角,确 定滤光片实际的长度。 由于在滤光片的制作过程中,其色彩并不能 非常准确地按照预定的规律变化,因此在使用彩 虹纹影进行定量测量前必须对所使用的滤光片进 行标定。标定的具体方法是:给定固定的偏转位 移量,根据所获得图像的色度值进行曲线拟合。 本实验设计的滤光片及其分段拟合的标定曲线如 图5所示,本实验中使用的滤光片为12 mm× 18 mm 蛆] (a)彩虹滤光片标定曲线 Et {哩 o 2 4 6 8 lO 12 距离a/nun (b)彩虹滤光片 图5彩虹滤光片及其标定图 3典型实验与结果 下面以轴对称自由射流流场为例,介绍有关 图像数据处理的方法。对于轴对称射流流场的测 量,为了分析其密度场,利用轴对称射流的基本特 性,可以首先把射流截面分为N个同心圆环,其 半径为r7,则每个同心圆环上的密度相同,如图6 所示。 13O 装备指挥技术学院学报 ± 盈r + rt 二_ _== \f \一 3r/1一 . 2 n( 五) 图6流场截面计算简图 塑 ( ) 3 图7为2个相邻圆环之间的几何关系,由于 是轴对称射流,在极坐标下其密度.0只与半径r 大小有关而与角度0无关,即有 f z一 : 一 : 1 d (7) l  ̄/r 一 一sin 一_r_2L (8) 一2 ,式中:Z为r到r 的距离;rj为每层的半径;一 K 为r 和光束之间的夹角。K ∑ ]、1 n n 图7流场截面几何关系图 由图6口J知,第一步先计算在栗一层 上2 个相邻同心圆环r 到ri\、●J/ + 之间的偏转角A0j,利 用式(6)~式(8)可作如下积分:+ ( 2 ) 一』 一f === K )( )㈩ 该方程为一个典型的Abel积分方程,可以使 用Abel积分变换求解,下面给出一种典型的变换 求解步骤。由于所研究的射底是轴对称射流,所 以偏转量为式(9)中的2倍 。l4_ ,即 △ 一2 K拙r Or)( )= z 镌) n【 j 于是该层上总的偏转为 一2 ,薹( [ ] (11) 将第一个求和子式取出。作如下蛮化 式(13)即为密度梯度(、 U,})的表达式。 , 其中每层的偏转角0j由式(4)求的 为每 层的半径,共N层,注意计算时由J—N一1开始 起步。得到每层的密度梯度之后,可以由式(14) 得到密度场为 , 、 — + 一( 、一 )(J rj+l~rj) (14) 数据处理的流程为:①读取待处理的图片, 由表1确定GD常数K;②由图片色度值通过 图5中的标定曲线得到偏转量n;③由偏转量a 通过式(4)得到偏转角0;④通过式(13)得到密度 梯度;⑤通过式(14)得到密度场J0。图8为根据 上述过程计算得到的偏转角和密度场,由于是轴 对称射流流场,截取一半纹影图像进行分析,通过 变换得到了该流场的密度场,从中能够定量了解 马赫盘前后的密度变换情况。 (a)流场彩虹纹景影图 一15 —10 —5 0 5 (b)标定后得到的偏转角0的大小 (c)经过变换计算处理得到的流场密度p 图8流场纹影图与处理得到的偏转角和密度场图 第1期 蒋冠雷,等:彩虹纹影定量测量实验方法研究 131 [3]KOLHE P S,AGRAWAL A.Role of buoyancy on instabili 4 结 论 ties and structure of transitional gas jet diffusion flames[-J]. 彩虹纹影定量测量方法‘,以典型的“Z”字形 Flow Turbulence and Combustion,2007,79(4):343 360. 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