[科普中国]-片光流动显示

现代飞行器设计中对升力和大迎角时的性能要求不断增大。越来越多的设计人员希望得益于脱体涡的非线性升力，以提高’飞行器在大迎角时的机动性能。这就要求对飞行器周围的涡流场有详尽的了解;层流翼型飞行器研制也要了解诸如翼尖涡对尾翼的影响，机身涡的情况等等。许多研究人员正在致力于边界层的研究，特别是湍流边界层的研究和边界层控制技术研究，以图利用边界层控制技术改善飞行器的性能。火箭和导弹研究人员非常关心大迎角状态下机身涡的状态，因其直接与火箭和导弹大迎角状态下的飞行稳定性有关。片光流动显示技术是为满足这些需求而产生并发展起来的。1960年激光器的问世，为片光流动显示技术的发展提供了广阔的前景，尤其是80年代后，随着大功率连续输出的氢离子激光器和高重复脉冲频率的铜蒸汽激光器的日益成熟和商品化，使得片光流动显示技术有了长足的进展，并从实验室中走出进人大型生产性风洞和水洞，成为风洞和水洞试验的一项强而有力的试验手段，可以显示空间某个截面涡的形态、涡核、涡旋转方向和细微结构以及湍流边界层细微结构及其随时间的变化，翼尖涡等等。

某些流场中存在一些特定的区域，其流速与其周围流场的流速有明显的差异，如果在该区域的上游投入示踪粒子，用一片强光照亮该区域和其周围流场的某个截面，当示踪粒子流过该截面时就被照亮，向四面八方散射光。片光照亮的区域总是有一定的厚度，由片光的厚度决定，一般为零点几毫米至几毫米。示踪粒子流过片光照亮的截面时，速度较低的示踪粒子在片光区内滞留的时间较长，而速度高的示踪粒子滞留时间短，因此在某个小的时间间隔内，片光截面上的流场中速度较低处的示踪粒子数量密度将大于速度较高处的示踪粒子数量密度，散射的光较强，而后者散射的光较弱。这样，由流过片光截面的示踪粒子群体散射的光强差别显示出流场中某个截面上的流速差异，这就是片光流动显示技术的原理。1

其基本装置如图所示，激光器发出的光经 和 组成的反望远系统后经过一个柱面透镜 即形成片光输出。反望远系统的作用是控制片光的厚度及减小片光在厚度方向上的发散角，亦称为准直器。透镜 的焦距与透镜 的焦距的比值即为该系统的角缩小系数，比值越大将使输出光的平行度越好，片光的厚度越薄。选择适当的焦距比值可得到所希望得到的片光厚度和厚度方向的发散角。如果对片光的质量要求不高，作为最简片光系统，反望远系统这部分也可以省略掉，只由激光器和柱面镜即可组成片光系统。是柱面透镜，是形成片光的关键部件，在与其轴线垂直的截面内，在某个方向上该透镜对穿过的光线的方向不产生影响，既不使其会聚也不发散，即焦距为无穷大;而在与该方向正交的方向上产生会聚(凸柱面透镜)或发散(凹柱面透镜)，即焦距为某个固定数值。该透镜这两个方向上对光线作用的不同特性，使透过的光形成片光。对光线产生作用方向的焦距越短，会聚或发散的程度越大，片光覆盖区域亦越大，当然片光截面的光强亦下降。根据使用的要求，选择适当焦距的柱面透镜，可获得满意的片光用于显示流场。目前在大型风洞中的片光流动显示技术大都采用连续波输出的氛离子激光器，输出功率为几百毫瓦至十几瓦，亦有采用高脉冲重复频率的铜蒸汽激光器的。在很小的风洞中也可采用He一Ne激光器，设备成木将大为下降。

示踪粒子发生器，或称发烟器，及粒子投放装置是另一个关键设备，各种各样的发烟剂或经过自行挥发，或经过加热或其他物理或化学过程变为直径为微米量级的示踪粒子，经由粒子投放装置投放到风洞试验段的上游，随流体流向片光照亮的区域即可实现片、光流动显示了。水洞中一般采用固体粒子或氢气泡及由各种发泡剂产生的微小水泡:，示踪粒子的质量密度最好与流体的质量密度接近，以保持良好的跟随性;其对光的散射能力要尽可能强，以便显示流场更多的细节。由于示踪粒子在试验模型的流场上游的投放位置直接影响显示的效果，投放装置应能在投放截面中进行二维移动，以便将投放点调整至最佳位置。在流体品质要求比较高的风洞中还应在粒子投放管的外部套上整流罩，以减小其对流体的干扰。

如图是一种五片光光学多片光系统简图。这种技术是用能量分割的原理，将一束光分成多束，每一束分别形成一个片光来同时实现多片光显示的。激光束从片光转角装置2的心中处圆柱形孔洞中穿过射到分光器3，有能量占2/5的激光波成直角地向图中的右边反射过去，另外3/5的激光透过其射向分光器4，分光器4将能量占2乃的激光成直角向图中左方反射过去，另外1/3的激光透过其后射人柱面透镜，射出后形成中间位置的片光;向右边射出的光在分光器8处等量分成两束光，反射光经柱面透镜形成片光，透射光由反射镜6反射后经柱面透镜形成最右边的片光;向左方射出的激光亦同样经分光器9分束和经反射镜7反射后再经柱面镜分别形成左面的两个片光，这样就一共同时形成了五个片光可用于同时显示流场中五个不同的截面。调整分束器和反射镜的位置就可以调整五个片光问的相对位置，以适应不同模型的试验要求。各个分光器的透反射比间的差异是为了保证每个片光的能量都相同，亦即亮度相同。大多数情况下这种方式的显示结果很好，比较通用。当设计专门用于显示大迎角涡流场试验的片光系统时，采用分立的柱面镜方式，令各个片光的能量沿顺气流方向逐渐变大，且片光的发散角亦由小变大将得到最佳的多片光系统。因为大迎角涡流场中涡区的线度迅速变大，在模型自身的上游区和下游区差别很大。

片光显示试验中有时需要对流场全貌建立一个清晰的概念。扫描式片光流场显示技术可以满足这个要求。如图在常规的单片光系统的片光输出处增加一个由转镜或其他方式构成的光扫描器，由扫描驱动器驱动使片光按某种方式扫描，即构成了扫描片光显示系统。一个典型的例子如下：光束扫描器可使片光在40度范围内摆动扫描，正扫描时间为3~6s，可调，回程时间小于0.1s，亦可将片光停在扫描区内任一截面上。在工程扫描的时间历程中片光在几秒钟的时间内连续扫过流场的各截面，使观察者很容易建立起对流场的整体印象，以利于进一步地深人研究那些感兴趣的区域。这种技术尤其适用于对涡流场的研究，可以将涡的生成、发展过程、破裂点及破裂区的整体结构勾画出来，是对涡的整体结构的一个快捷的了解方法。

人眼有一种特殊的生理现象—视觉暂留，即.人眼所看到的图像或景物不是转瞬即逝，而是在人眼中滞留约0.1s的时间，即人眼的时间信号的通频带只有十多赫，即使是截止频率也只有30一50Hz侧，电影与电视以及动画片就是基于人眼的这种特性才得以实现的。多片光的时间分割实现方法也是基于人眼的这种特性。令激光片光进行阶梯式的高速扫描运动，即在每个显示截面处片光停留一定的时间再迅速跃至下一个显示截面，停留一定的时间后再迅速跃至下一个截面处，就这样一步步地完成整个扫描过程。当扫描频率达十几赫时，人眼的主观感觉就是在各个显示截面都有一个片光在同时进行显示，即实现了时间分割的片光显示。当扫描频率超过40Hz时，片光的闪烁现象亦明显微弱近于消失，可得到高质量的多片光显示结果。一次扫描过程的阶梯个数决定片光的个数，调节每个阶梯的宽度和高度可控制显示截面的位置和片光的相对亮度。可以用多种方法实现这种阶梯扫描，下面叙述一套由单片微机控制，由驱动器、步进电机、转镜及其他光路组成的多片光系统。

如图为系统构成简图，由8的8单片机、运行控制软件与数据存储器、控制按键、扫描驱动器、扫描器、片光形成光路等组成。其核心为8098单片机。该单片机是准16bit单片机，内部数据处理为16bit，输出是8bit，虽然精度不算高也可满足使用要求。其上的A/D口可用于反馈监视，串行口用于与主计算机通信，修改或更换运行控制软件和原始数据，不通信时该.羊片机完全独立运行，与主机尤关，由它控制整个系统的运行，产生阶梯扫描控制信号和步进脉冲控制信·号送至扫描驱动器，接受按键输入的控制命令并进行相应的处理等等。扫描驱动器接受8098单片机的控制信号，经过放大输出功率信号驱动扫描器中的步进电机，带动扫描机构使转镜阶梯式转动，形成多片光显示。操作人员可用按键控制整个系统的运转，选择4一9片光的光片数，选择扫描速度等等。2