[科普中国]-激光加热风洞

简介

激光加热风洞是风洞的一种类型，利用激光加热原理，对风洞进行加热，测得流场静温、组分含量、流量和气流速度等高超声速流场的数据，具有污染小又高效的优势。

背景目前在污染试验研究中测量手段主要有壁压、热流、组分探针、纹影、高速摄影等,壁压和热流是从测量参数反推内部流场状况和燃烧状态,不能直观反映燃烧的内部情况,无法准确得知气流参数;组分探针的测量方法是接触式取样,可能会对待测流场产生影响,从而带来测量的不确定性,测量结果需谨慎校正;纹影配合高速摄影可以得到试验流场的波系结构等特征,但是定量化结果非常困难。在流场温度测量方面,常规的薄膜电阻、热电偶等接触式测量手段只能测量流场的总温。而在发生水蒸气凝结的流场中测量时,薄膜电阻、热电偶探头产生的脱体激波又会导致凝结后的液滴蒸发,从而无法反映出真实的流场参数。此外,接触式测量也会对试验流场产生一定的干扰。

在风洞试验尤其是燃烧加热风洞试验中存在一定的污染问题,污染组分对试验结果的影响使得地面试验和实际飞行之间的假设性关系是不确定和未经考验的,因此,研究污染小又高效的试验风洞具有重要的意义,这既是高超声速研究的重要课题,又是工程应用方面的重要问题,具有强烈的理论试验研究和工程应用背景1。

原理近红外可调谐半导体激光器吸收光谱测量系统(TDLAS)利用特定波长的近红外激光能量被特定气体分子吸收形成吸收光谱的原理来测量流场温度的一种光学测量技术,具有分辨率高、灵敏度高、选择性高以及非接触测量这些优点。可以利用不同波长的激光器,对水、二氧化碳、甲烷以及氧气等进行测量,进而得到流场静温、组分含量、流量和气流速度等重要流场数据,在众多超声速流场测量方法中具有很大的优势。

工件放到风洞内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000度，而心部温度升高很小。高频加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。