岡敦殿, 易仕和, 米 琦, 陸小革

(國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院， 湖南長沙 410073)

引 言

高效摻混與燃燒組織技術(shù)是組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)急需突破的關(guān)鍵技術(shù)， 而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的富燃燃?xì)馀c空氣混合過程可抽象為兩股超聲速氣流混合， 即形成超聲速混合層[1]。光學(xué)成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在大氣層中高速飛行時(shí)， 窗口與空氣之間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生很高的溫度， 通常需要利用冷卻氣膜隔離外部高溫主流， 形成包含混合層、 邊界層、 激波及其相互干擾的復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)， 其引起的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)被廣泛研究[2-3]?；旌蠈幼陨淼陌l(fā)展過程涉及不穩(wěn)定性發(fā)展和湍流混合等階段， 具有高度的復(fù)雜性， 因此也獲得了理論界高度關(guān)注。

Ali等[4]采用數(shù)值方法研究了空氣和氫氣的混合過程， 關(guān)注兩股氣流平行或者非平行的混合狀態(tài)， 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩股氣流方向之間的夾角增大時(shí)， 可以促進(jìn)動(dòng)量能量交換， 進(jìn)而增強(qiáng)混合。沈清等[5]采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)展向渦結(jié)構(gòu)的流向間距等于流動(dòng)最不穩(wěn)定波波長， 表明失穩(wěn)結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定波之間存在內(nèi)在聯(lián)系， 并總結(jié)提出了混合層流動(dòng)增強(qiáng)技術(shù)。王兵等[6]采用LES方法對(duì)來流速度、 對(duì)流Mach數(shù)和密度比等進(jìn)行了較詳細(xì)的研究， 觀察到了大尺度結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程， 結(jié)果表明， 隨著對(duì)流Mach數(shù)增加， 剪切層厚度增長速度和混合效率均會(huì)下降。郭廣明等[3，7-8]采用LES技術(shù)針對(duì)混合層密度分布以及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)開展了研究， 并關(guān)注了流動(dòng)控制裝置在氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)校正方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)研究方面， 國防科技大學(xué)張冬冬[9]、 馮軍紅[10]、 趙玉新[11]采用基于NPLS技術(shù)及PIV技術(shù)對(duì)混合層流場流向、 展向平面渦結(jié)構(gòu)及其發(fā)展特性做了大量研究， 獲得了流場精細(xì)結(jié)構(gòu)以及氣動(dòng)光學(xué)特性等。

超聲速、 高超聲速流動(dòng)中各種尺度的結(jié)構(gòu)具有高度的非定常特性， 特征頻率在104～106Hz量級(jí)很常見[12-13]， 如圖1所示， 這使得獲取流場演化特性具有挑戰(zhàn)性。常規(guī)的流動(dòng)可視化技術(shù)受限于光源和成像技術(shù)， 典型的在滿分辨率條件下采樣頻率只能達(dá)到10 kHz， 如高速紋影技術(shù)。如Leidy等[14]報(bào)道的采用高速紋影觀察高超聲速氣流與圓柱干擾流場， 在觀察范圍較小時(shí)， 幀率能達(dá)到240 kHz。Thurow等[12，15]開發(fā)了一種高速流動(dòng)可視化系統(tǒng)， 使用自制的脈沖串激光系統(tǒng)、 高速ICCD相機(jī)， 達(dá)到500 000 f/s。Jiang等[16]研發(fā)了一套10 kHz級(jí)的CH PLIF系統(tǒng)， 并開展了火焰流場測試。李旭東等[13]， 梅峰[17]關(guān)注高速PLIF激光器技術(shù)， 并研制了脈沖串激光器， 實(shí)現(xiàn)了10 kHz的脈沖激光輸出。

圖1 不同湍流尺度速度對(duì)應(yīng)的頻率[12]Fig. 1 Characteristic frequency of large-scale turbulent motions as a function of length scale[12]

團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超高頻NPLS技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)流場可視化和精細(xì)測量。本文采用該技術(shù)研究了對(duì)流Mach數(shù)Mac=0.17和Mac=0.26混合層流場， 以及有無流動(dòng)控制裝置條件下的混合層流場， 獲取了流場時(shí)間序列的高分辨率圖像， 對(duì)流場渦結(jié)構(gòu)演化發(fā)展特性進(jìn)行了分析。

1 超聲速混合層風(fēng)洞

超聲速混合層風(fēng)洞采用吸氣方式運(yùn)行， 試驗(yàn)段截面尺寸為100 mm×50 mm。風(fēng)洞主體由3部分組成： 穩(wěn)定段、 雙噴管與試驗(yàn)段， 相應(yīng)的配套設(shè)備包括入口閥門、 總壓調(diào)節(jié)器以及真空設(shè)備等， 如圖2所示。風(fēng)洞穩(wěn)定段和噴管內(nèi)部均安裝隔板， 過渡段之后氣流即被分成兩股。雙噴管出口形成速度方向相同但大小不同的兩股氣流， 并發(fā)生剪切。穩(wěn)定段低速側(cè)安裝有總壓調(diào)節(jié)器， 可以連續(xù)衰減總壓， 從而實(shí)現(xiàn)雙噴管出口上層流動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)。

圖2 超聲速混合層風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the supersonic mixing layer wind tunnel

雙噴管結(jié)構(gòu)可通過更換不同的型面半噴管實(shí)現(xiàn)不同的對(duì)流Mach數(shù)， 如圖3所示， 低Mach數(shù)半噴管安裝在上側(cè)， 與總壓調(diào)節(jié)器配合使用， 高M(jìn)ach數(shù)半噴管安裝在下側(cè)。隔板末端的厚度為0.1 mm。來流總溫T0=300 K， 高速側(cè)總壓為101 kPa， 低速側(cè)總壓P0的選擇根據(jù)壓力匹配計(jì)算得到。

根據(jù)等熵關(guān)系式、 聲速定義式和對(duì)流Mach數(shù)定義式可以計(jì)算噴管的對(duì)流Mach數(shù)

式中，U1，U2，a1，a2分別為高速側(cè)速度、 低速側(cè)速度、 高速側(cè)聲速以及低速側(cè)聲速。實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)不同對(duì)流Mach數(shù)的雙噴管結(jié)構(gòu)， 對(duì)流Mach數(shù)分別為0.17和0.26， 超聲速混合層流場參數(shù)在表1中給出。文中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)均在混合層壓力匹配條件下進(jìn)行， 即上下層流動(dòng)靜壓相等。壓力匹配通過兩方面判斷， 一是穩(wěn)定段的壓力傳感器監(jiān)測低速半噴管入口總壓； 二是剪切流場初始段紋影圖像， 若壓力匹配， 則初始段剪切面為平直線條。

圖3 雙噴管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic view of the dual nozzle system

表1 超聲速混合層流場參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中為了控制混合層的剪切發(fā)展， 在隔板上沿末端粘貼鋸齒狀陣列型渦流發(fā)生器， 其尺寸及安裝位置與夏梓豪等[18]在論文中報(bào)道的一致， 如圖4所示。

圖4 渦流發(fā)生器示意圖[18]Fig. 4 Schematic diagram of the vortex generator array[18]

采用超高頻NPLS技術(shù)獲取混合層流場的時(shí)空演化特性， 系統(tǒng)布置如圖5所示。激光片光照亮混合層流場流向平面， 流場中均勻撒播有示蹤粒子， 高速相機(jī)捕捉粒子散射光進(jìn)而獲得流場結(jié)構(gòu)。

2 超高頻NPLS技術(shù)

2.1 系統(tǒng)原理

在(高)超聲速飛行器湍流與復(fù)雜流動(dòng)的研究中， 高時(shí)空分辨率的流場精細(xì)測試技術(shù)是十分重要的研究課題。團(tuán)隊(duì)十余年前開發(fā)了基于NPLS技術(shù)[19]， 其核心是采用納米粒子作為示蹤粒子， 具有高時(shí)空分辨率和高信噪比的特點(diǎn)。常規(guī)NPLS系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、 同步控制器、 CCD相機(jī)、 雙腔脈沖激光光源、 納米粒子發(fā)生器、 導(dǎo)光臂和片光組件等構(gòu)成。粒子發(fā)生器和撒播裝置能夠?yàn)榱鲌鎏峁┚鶆虻募{米示蹤粒子， 跟隨各種尺度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)， 雙腔激光器發(fā)出脈沖激光照明流場中的納米粒子， 相機(jī)捕獲粒子散射光進(jìn)而獲得流場結(jié)構(gòu)。NPLS技術(shù)在超聲速和高超聲速流場測試中獲得了大量應(yīng)用， 包括混合層[20]、 邊界層[21]、 激波邊界層干擾以及氣動(dòng)光學(xué)[22]研究等。

圖5 風(fēng)洞和測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig. 5 Photo of the experimental system

但受限于雙腔激光器和跨幀CCD相機(jī)的重復(fù)頻率， 傳統(tǒng)的NPLS技術(shù)無法獲得時(shí)間序列的流場高分辨率圖像， 進(jìn)而無法獲得流場在一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展演化特性。如圖6所示為何霖[23]獲得的超聲速平板邊界層流動(dòng)可視化圖像， 可以清晰觀察到流動(dòng)結(jié)構(gòu)在5 μs時(shí)間內(nèi)的演化情況， 但是無法獲得整個(gè)時(shí)間歷程的演化發(fā)展特性， 即5， 10 μs之后的發(fā)展情況無法獲知。

高能脈沖激光器、 高精度同步控制器和高分辨率高速相機(jī)的性能日新月異， 基于此(高)超聲速流動(dòng)的湍流精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)間分辨的測試成為實(shí)際可能。國防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出利用多腔脈沖YAG光器并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流場MHz重復(fù)頻率的照明， 高分辨率高速成像系統(tǒng)捕捉納米粒子散射光， 通過同步控制器實(shí)現(xiàn)激光片光出光和同步成像， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MHz重復(fù)頻率的高速流場精細(xì)結(jié)構(gòu)的可視化， 如圖7所示。

(a) t0

(b) t0+5 μs圖6 超聲速邊界層NPLS圖像Fig. 6 NPLS images of the supersonic boundary layer

圖7 超高頻NPLS系統(tǒng)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the superhigh frequency NPLS system

2.2 八腔并聯(lián)激光技術(shù)

激光器系統(tǒng)由八腔激光器本體、 集成電源和冷卻系統(tǒng)等組成， 運(yùn)用激光偏振技術(shù)、 激光倍頻技術(shù)和合束技術(shù)等， 解決八腔激光的高精度合束等問題， 使得在激光輸出時(shí)形成MHz重復(fù)頻率激光脈沖。圖8為成功研制的八腔激光器實(shí)物照片， 該激光器每個(gè)腔體的工作物質(zhì)均為摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體。

圖8 八腔并聯(lián)脈沖激光器Fig. 8 Photo of the 8-cavity laser system

激光器各通道輸出激光脈沖最小時(shí)間間隔達(dá)到100 ns， 工作頻率達(dá)到10 MHz， 單脈沖能量超過300 mJ。圖9為激光器以100 ns的時(shí)間間隔輸出八脈沖的時(shí)序分布， 脈沖時(shí)間和間隔穩(wěn)定。圖10為八脈沖片光合束測試照片， 多個(gè)脈沖片光入射在同一張激光感光紙上， 激光感光紙和片光組件在整個(gè)過程中保持位置不變。各個(gè)片光相互重合， 表明合束情況良好。

圖9 八腔激光器脈沖時(shí)序測試(100 ns間隔)Fig. 9 Test of the 8-cavity laser pulses (100 ns interval)

圖10 激光器輸出片光合束測試Fig. 10 Detection results of the beam combination

2.3 超高幀頻高速相機(jī)技術(shù)

為使相機(jī)在高幀頻條件下仍然具有1M像素以上的分辨率， 團(tuán)隊(duì)研制了一臺(tái)超高幀頻高速相機(jī)。采用8臺(tái)短曝光相機(jī)沿周向分布， 基于八棱錐分光， 如圖11所示。每臺(tái)相機(jī)配備獨(dú)立的角度和位移機(jī)構(gòu)， 確保通過精細(xì)調(diào)節(jié)后每個(gè)相機(jī)拍攝到的圖像基本一致。短曝光相機(jī)的最短曝光時(shí)間可達(dá)1 μs， 獲得的8張時(shí)間相關(guān)圖像， 其理論最短相鄰幀時(shí)間間隔為1 μs。由于采用棱錐分光模式， 每個(gè)激光腔發(fā)出脈沖時(shí)各個(gè)相機(jī)通道均能接收到光線， 因此必須嚴(yán)格控制相機(jī)曝光時(shí)間和時(shí)序， 確保各相機(jī)只在對(duì)應(yīng)激光脈沖出光時(shí)曝光。通過電路并聯(lián)設(shè)計(jì)和高精度同步控制， 實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)超高幀頻納米散射序列成像， 并且成像分辨率達(dá)到1 392 pixels×1 040 pixels。

圖11 超高幀頻相機(jī)照片F(xiàn)ig. 11 Picture of the high-speed camera

進(jìn)一步地， 在開展試驗(yàn)時(shí)， 為準(zhǔn)確定位相機(jī)的拍攝位置、 校準(zhǔn)圖像參數(shù)， 通常采用棋盤格標(biāo)定圖像， 以對(duì)圖像的畸變進(jìn)行修正。

2.4 超高頻NPLS系統(tǒng)性能測試

超高幀頻高速相機(jī)由同步控制器觸發(fā)， 通過USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 相機(jī)曝光時(shí)會(huì)輸出高電平信號(hào)。同步控制系統(tǒng)對(duì)多個(gè)激光脈沖時(shí)間、 相機(jī)開始曝光時(shí)間等進(jìn)行控制， 如圖12所示。

圖12 超高頻NPLS系統(tǒng)時(shí)序圖Fig. 12 Timing chart of the superhigh frequency NPLS system

通過調(diào)試， 自研高速相機(jī)各項(xiàng)功能正常， 能夠有效保證在激光出光時(shí)特定通道相機(jī)曝光。圖13為檢驗(yàn)相機(jī)和激光器的同步情況， 示波器中黃色線尖峰代表光電探測器檢測到的激光脈沖， 藍(lán)色線為相機(jī)曝光信號(hào)， 通過軟件設(shè)置延時(shí)， 可以很好地保證激光脈沖和相機(jī)曝光的同步。由此將NPLS技術(shù)升級(jí)為MHz級(jí)的超高頻NPLS技術(shù)， 能夠獲取相鄰圖像極限時(shí)間間隔為1 μs的序列圖像， 實(shí)現(xiàn)對(duì)流場動(dòng)態(tài)演化過程高時(shí)間分辨的記錄和測量。該系統(tǒng)可進(jìn)行MHz量級(jí)超高頻(高)超聲速湍流與復(fù)雜流動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)可視化測試， 數(shù)據(jù)處理后可獲得速度場等定量數(shù)據(jù)。

圖13 示波器檢驗(yàn)相機(jī)曝光時(shí)間和激光脈沖同步Fig. 13 Synchronization test of the exposure and laser pulse

3 混合層實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中坐標(biāo)系定義如下： 以噴管段隔板后緣中心為原點(diǎn)， 向下游平行于流動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向， 垂直于隔板向上為y軸正方向。

3.1 超聲速混合層流動(dòng)結(jié)構(gòu)及演化特點(diǎn)

超聲速混合層的發(fā)展存在失穩(wěn)過程以及湍流狀態(tài)， 圖14為Mac=0.17混合層流場NPLS圖像， 對(duì)應(yīng)的拍攝長度為200 mm。在混合層發(fā)展的初始階段， 由于兩股氣流之間存在大的速度剪切， 與不可壓縮情形相類似， 在NPLS圖像上混合界面呈現(xiàn)為一條平直線條； 隨著流動(dòng)向下游發(fā)展， 出現(xiàn)了Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性導(dǎo)致的界面失穩(wěn)， 逐漸出現(xiàn)規(guī)則卷起的具有一定波長的渦結(jié)構(gòu)， 夏梓豪等[18]根據(jù)NPLS圖像測出了來流參數(shù)基本相同條件下的波長為9.1 mm。在這一階段， 渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的主要是平移特性， 伴隨著一定的旋轉(zhuǎn)和剪切變形。進(jìn)一步的流場失穩(wěn)導(dǎo)致了大尺度結(jié)構(gòu)逐漸破碎， 對(duì)應(yīng)于x>180 mm的區(qū)域， 在規(guī)則渦結(jié)構(gòu)的周邊出現(xiàn)小尺度結(jié)構(gòu)， 混合層上下層不同速度大小的氣流能量交換更加強(qiáng)烈， 加速流動(dòng)的混合過程。

圖14 Mac=0.17混合層流場NPLS圖像Fig. 14 NPLS image of the Mac=0.17 mixing layer

需要明確的是， NPLS圖像反應(yīng)的是某一時(shí)刻的流場， 而混合層剪切流動(dòng)本身具有非定常特性， 包括失穩(wěn)起始位置、 波長等參數(shù)均應(yīng)基于大量的數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)分析。本研究主要基于超高頻NPLS獲得的時(shí)間相關(guān)流動(dòng)可視化圖像開展渦結(jié)構(gòu)演化的定性研究。

3.2 不同對(duì)流Mach數(shù)混合層流場演化過程

圖15, 16給出了Mac=0.17, 0.26兩個(gè)對(duì)流Mach數(shù)的混合層NPLS序列圖像， 相鄰圖像的時(shí)間間隔分別為12, 8 μs， 根據(jù)時(shí)間序列圖像可以判斷分析不同位置渦結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化。由于超高頻NPLS技術(shù)的突出優(yōu)勢在于獲取時(shí)間相關(guān)圖像， 因此文中更側(cè)重于選取某一個(gè)時(shí)刻的典型結(jié)構(gòu)研究其發(fā)展特性。

圖15 Mac=0.17混合層流場時(shí)間序列NPLS圖像Fig. 15 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer

混合層中、 后段， 沿流向的運(yùn)動(dòng)仍然主導(dǎo)著整體的流動(dòng)形態(tài)。但在不穩(wěn)定性以及摻混的綜合影響下，y方向速度呈現(xiàn)周期性的變化， 渦結(jié)構(gòu)也存在明顯的旋轉(zhuǎn)和變形。趙玉新根據(jù)PIV數(shù)據(jù)判斷， 下層流體向上卷起的速度要高于上層流體向下翻轉(zhuǎn)的速度， 其主要原因在于下層流體密度高、 速度快， 所攜帶的能量與動(dòng)量更高[11]。對(duì)比圖15, 16， 更高的對(duì)流Mach數(shù)意味著上下層之間的主流速度差異更大， 相應(yīng)的流場也呈現(xiàn)出明顯不同的特性。對(duì)流Mach數(shù)越大， 失穩(wěn)階段的長度更短， 以小尺度渦結(jié)構(gòu)為主的湍流摻混現(xiàn)象更為顯著。

圖16 Mac=0.26混合層流場時(shí)間序列NPLS圖像Fig. 16 A sequence of NPLS images of the Mac=0.26 mixing layer

圖15, 16中標(biāo)注了A， B， C和E 4個(gè)典型的渦結(jié)構(gòu)， 其中A， E結(jié)構(gòu)通過虛線連接了不同時(shí)刻的同一結(jié)構(gòu)， 各個(gè)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)均能對(duì)應(yīng)到這條直線上， 印證了渦在混合層前段和中段最明顯特征為平移。分析渦結(jié)構(gòu)B在不同時(shí)刻的特征， 在t0～t0+48 μs主要特征為平移和一定程度的拉伸； 隨著繼續(xù)向下游發(fā)展， 呈現(xiàn)了更顯著的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)剪切和拉伸， 并且伴隨著渦結(jié)構(gòu)破碎， 這些特點(diǎn)在t0+60 μs～t0+84 μs期間可以觀察到。

針對(duì)渦結(jié)構(gòu)C， 由于接近混合層的后段， 對(duì)應(yīng)于失穩(wěn)階段的末端， 不穩(wěn)定性增強(qiáng)， 能量交換更為劇烈。在t0～t0+36 μs時(shí)間段內(nèi)， 平移依然主導(dǎo)， 但是出現(xiàn)了一定程度的破碎。當(dāng)接近x=180 mm時(shí)， 渦結(jié)構(gòu)C破碎明顯， 大量小尺度結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)， 結(jié)合圖14也可判斷此時(shí)混合層失穩(wěn)階段接近尾聲。

對(duì)于較低的對(duì)流Mach數(shù)Mac=0.17， 流動(dòng)結(jié)構(gòu)周期性演化明顯， 序列圖像渦結(jié)構(gòu)整體相似度高?；趫D像互相關(guān)算法通過判斷最大相關(guān)系數(shù)， 可以得到渦結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移信息。如圖17所示， 選取某一時(shí)刻圖像的特定區(qū)域作為基準(zhǔn)， 即可在時(shí)間相關(guān)圖像中獲取最佳匹配區(qū)域， 從而得到渦結(jié)構(gòu)位移。根據(jù)圖15所示時(shí)間序列圖像計(jì)算得到在84 μs的時(shí)間間隔內(nèi)， 流動(dòng)結(jié)構(gòu)整體向下游運(yùn)動(dòng)了50 mm， 對(duì)應(yīng)的平均速度為595 m/s。進(jìn)一步地， 基于500張不同時(shí)刻圖像的統(tǒng)計(jì)分析， 相鄰渦結(jié)構(gòu)之間距離均值為14 mm， 可認(rèn)為該條件下的波長為λ=14 mm。基于波長和速度信息， 得到Mac=0.17剪切流動(dòng)的典型頻率特征為42.5 kHz。

圖17 采用互相關(guān)算法計(jì)算渦結(jié)構(gòu)位移Fig. 17 Calculation of vortex structure displacement using cross-correlation algorithm

3.3 微型流動(dòng)控制裝置對(duì)混合層發(fā)展影響分析

在隔板上沿安裝陣列型渦流發(fā)生器流動(dòng)控制裝置， 使得沿隔板上表面發(fā)展的邊界層與上側(cè)噴管內(nèi)自由流中的高動(dòng)量流體交換能量， 邊界層剖面更加飽滿。對(duì)比圖15, 18可以發(fā)現(xiàn)， 有流動(dòng)控制條件下， 不穩(wěn)定波主導(dǎo)的失穩(wěn)階段長度明顯縮短。以標(biāo)注的渦結(jié)構(gòu)D為例， 其t0時(shí)刻位置與圖15的B基本一致， 但是經(jīng)過56 μs的發(fā)展， 渦結(jié)構(gòu)D結(jié)構(gòu)變形明顯， 并且發(fā)生了顯著破碎。

另外， 發(fā)現(xiàn)了各種尺度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性， 如前文所述， 混合層前段以平移、 剪切為主， 中段以K-H不穩(wěn)定性的發(fā)展為主。針對(duì)渦結(jié)構(gòu)D， 可以觀察到在各個(gè)時(shí)刻發(fā)生的主要是平移和一定程度的旋轉(zhuǎn)。但是觀察渦梢部兩側(cè)的小尺度結(jié)構(gòu)， 隨著時(shí)間發(fā)展， 其均在向各自的方向發(fā)生向兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)拉伸。也就意味著， 剪切面的大尺度結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)確定， 但是兩層流動(dòng)的摻混也導(dǎo)致了明顯的非定常特性， 大尺度結(jié)構(gòu)及其小激波也會(huì)誘導(dǎo)小尺度結(jié)構(gòu)， 使其的運(yùn)動(dòng)特性高度非定常。

圖18 Mac=0.17有流動(dòng)控制混合層流場時(shí)間序列NPLS圖像Fig. 18 A sequence of NPLS images of the Mac=0.17 mixing layer with vortex generators

4 結(jié)論

本文首次采用MHz級(jí)超高頻NPLS技術(shù)研究了超聲速混合層的時(shí)間演化特性， 獲得了不同對(duì)流Mach數(shù)、 有無微型流動(dòng)控制裝置條件下的混合層流場序列圖像。超高頻NPLS技術(shù)由八腔激光器、 多短曝光相機(jī)集成的超高幀頻相機(jī)以及高精度多通道同步控制技術(shù)等組成， 成功實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)高分辨率流場可視化。對(duì)于Mac=0.17, 0.26混合層流場， 對(duì)比了混合層的層流段長度、 失穩(wěn)段、 渦結(jié)構(gòu)形態(tài)， 選取了一些典型的渦結(jié)構(gòu)作為參考， 發(fā)現(xiàn)不同位置的渦結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的發(fā)展存在明顯差異。在較低的對(duì)流Mach數(shù)條件下， 不穩(wěn)定性發(fā)展階段能維持更長的空間距離?；旌蠈又卸蔚牟环€(wěn)定性發(fā)展階段， 渦結(jié)構(gòu)以平移和旋轉(zhuǎn)為主， 伴隨一定的拉伸； 混合層后段則以變形和破碎為主。對(duì)于渦結(jié)構(gòu)特征明顯的Mac=0.17混合層， 基于互相關(guān)算法得到位移， 基于多張瞬態(tài)圖像獲取平均波長， 發(fā)現(xiàn)該剪切流動(dòng)的特征頻率約為42.5 kHz。在有流動(dòng)控制裝置的條件下， 不穩(wěn)定性發(fā)展階段的長度受到一定的抑制。并且受到剪切、 大尺度結(jié)構(gòu)以及小激波的影響， 小尺度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)存在高度非定常特性。