本发明专利技术公开了一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，首先通过高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像，根据流场纹影图像确定测量点后，通过发射光谱采集系统获得光谱信息，进而根据光谱信息得到分子振动温度和分子转动温度，通过对比分子振动温度和分子转动温度即可辨识该测量点处的流场是否处于热化学非平衡状态。本发明专利技术实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程。分析流场热化学过程。分析流场热化学过程。
【技术实现步骤摘要】
一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法
[0001]本专利技术涉及一种用于高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，属于高焓流场参数诊断领域。
技术介绍
[0002]随着飞行器不断向超高速方向发展，在超高速飞行条件下，飞行器周围气体焓值急剧上升。这使得飞行器周围气体发生振动激发、离解、电离和化学反应等现象，并伴随一定的热化学非平衡现象，致使气体物理参数发生改变，影响飞行安全。因此，需要地面模拟分析过程。
[0003]利用高焓激波风洞产生的高焓流场可以模拟出较高的流场速度和流场焓值，并且该流场存在一定程度的热化学非平衡。因此，如何辨识和分析高焓流场中的热化学非平衡现象尤为重要。
[0004]传统的测试测量技术由于存在干扰流场、分辨率低等缺点，无法有效测量诊断上述过程。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，首先通过高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像，根据流场纹影图像确定测量点后，通过发射光谱采集系统获得光谱信息，进而根据光谱信息得到分子振动温度和分子转动温度，通过对比分子振动温度和分子转动温度即可辨识该测量点处的流场是否处于热化学非平衡状态。本专利技术实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，包括以下步骤：
[0008]S1搭建采集频率为2000fps以上的高速纹影系统；
[0009]S2在高焓风洞中通入驱动气，利用高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像；
[0010]S3根据流场纹影图像，在高焓风洞中选择热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，并在测量区域中确定n个测量点，n≥2；
[0011]S4搭建发射光谱采集系统；所述发射光谱采集系统中包括n个准直器，n个准直器的收光区域分别覆盖n个测量点；
[0012]S5利用发射光谱采集系统采集各测量点处的发射光谱信息；
[0013]S6根据各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T
v
和分子转动温度T
r
；
[0014]S7对比同一测量点的T
v
和T
r
，如果T
v
＝T
r
，则判断该测量点处处于热化学平衡状态，否则判断该测量点处处于热化学非平衡状态。
[0015]进一步的，所述步骤S1或S2中，高速纹影系统包括高速相机5，激光器6，纹影镜组7
和石英窗口8；所述高速相机5的采集频率为2000fps以上，像素4百万以上；
[0016]石英窗口8为两个，分别设于两侧的高焓风洞壁上，记为第一石英窗口和第二石英窗口；纹影镜组7为两组，第一纹影镜组和第二纹影镜组分别设置于第一石英窗口和第二石英窗口外侧；激光器6发射的激光经第一纹影镜组发生扩散和反射后变为平行光，所述平行光依次经过第一石英窗口、高焓风洞内部和第二石英窗口到达第二纹影镜组，并通过高速相机5捕获后，得到高焓风洞的流场纹影图像；
[0017]所述步骤S2中，高焓风洞内部流场为均匀流场。
[0018]进一步的，所述步骤S2中，驱动气包括能够发生能级跃迁的任意双原子分子气体。
[0019]进一步的，所述步骤S3中，高焓风洞中热化学非平衡状态发生概率最大的区域为流场纹影图像中激波波头位置和激波波后位置所对应区域；
[0020]所述步骤S3中，测量点至少包括一个位于激波波头位置所对应区域中的测量点，和一个在位于激波波后位置所对应区域中的测量点。
[0021]进一步的，所述步骤S4或S5中，发射光谱采集系统还包括n台多通道光谱仪1，n组传输光纤2；
[0022]测量点处驱动气的分子发射光由准直器3接收后，经传输光纤2进入多通道光谱仪1，多通道光谱仪1将接收到的光信号转化为各个波长下的辐射强度值，即发射光谱信息。
[0023]进一步的，所述步骤S7中，如果T
v
和T
r
的差值≤5％T
v
，则认为T
v
＝T
r
。
[0024]进一步的，所述步骤S6中，根据经平滑、标准正态变量变换和基线校正后的各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T
v
和分子转动温度T
r
。
[0025]进一步的，所述高焓风洞的流场温度为2500K以上；
[0026]进一步的，所述步骤S6中，根据各测量点处的发射光谱信息，利用LIFBASE软件得到各测量点处驱动气的分子振动温度T
v
和分子转动温度T
r
，具体方法为，在LIFBASE软件中不断调整振动温度和转动温度，当通过LIFBASE软件模拟计算得到的光谱与步骤S5所得光谱信息的均方差最小时，得到目标分子振动温度T
v
和分子转动温度T
r
。
[0027]进一步的，所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息进行平滑处理的方法如下：
[0028]选择具有奇数个波长点的窗口，记窗口的波长点为2ω+1，ω代表窗口半宽；
[0029]用窗口内中心波长点k及窗口内前后点测量值的平均值代替波长点的测量值i代表各波长位置，i≥1：
[0030][0031]所述步骤S6中，对各测量点处的发射光谱信息中某一条谱线进行标准正态变量变换的方法如下：
[0032][0033]其中x
i
为波长i位置处的测量值，为整个光谱曲线的平均值，n为整条光谱曲线的
总波长个数。
[0034]本专利技术与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
[0035](1)本专利技术创新性的提出一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，基于射光谱理论，结合高速纹影系统和发射光谱采集系统实现了对高焓流场参数的实时高频采集，能够有效辨识流场存在的热化学非平衡现象，分析流场热化学过程；
[0036](2)本专利技术一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，针对高焓流场的特征，采用高速纹影系统确定了热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，简化了测试过程，提高了识别效率；
[0037](3)本专利技术一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，适用于风洞驱动气为能够发生能级跃迁的所有气体的情况，具有广泛的应用前景；
[0038](4)本专利技术对发射光谱信息经平滑、标准正态变量变换和基线校正等优化手段后，得到用于热化学非平衡辨识的分子振动温度和分子转动温度，提高了分析准确性。
附图说明
[0039]图1为本专利技术发射光谱采集系统和高速纹影系统示意图；
[0040]图中：1
‑
多通道光谱仪，2
‑
传输光纤，3
‑本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1搭建采集频率为2000fps以上的高速纹影系统；S2在高焓风洞中通入驱动气，利用高速纹影系统得到高焓风洞的流场纹影图像；S3根据流场纹影图像，在高焓风洞中选择热化学非平衡状态发生概率最大的区域作为测量区域，并在测量区域中确定n个测量点，n≥2；S4搭建发射光谱采集系统；所述发射光谱采集系统中包括n个准直器，n个准直器的收光区域分别覆盖n个测量点；S5利用发射光谱采集系统采集各测量点处的发射光谱信息；S6根据各测量点处的发射光谱信息，得到各测量点处驱动气的分子振动温度T
v
和分子转动温度T
r
；S7对比同一测量点的T
v
和T
r
，如果T
v
＝T
r
，则判断该测量点处处于热化学平衡状态，否则判断该测量点处处于热化学非平衡状态。2.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S1或S2中，高速纹影系统包括高速相机5，激光器6，纹影镜组7和石英窗口8；所述高速相机5的采集频率为2000fps以上，像素4百万以上；石英窗口8为两个，分别设于两侧的高焓风洞壁上，记为第一石英窗口和第二石英窗口；纹影镜组7为两组，第一纹影镜组和第二纹影镜组分别设置于第一石英窗口和第二石英窗口外侧；激光器6发射的激光经第一纹影镜组发生扩散和反射后变为平行光，所述平行光依次经过第一石英窗口、高焓风洞内部流场均匀区和第二石英窗口到达第二纹影镜组，并通过高速相机5捕获后，得到高焓风洞的流场纹影图像。3.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，驱动气包括能够发生能级跃迁的任意双原子分子气体。4.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，高焓风洞中热化学非平衡状态发生概率最大的区域为流场纹影图像中激波波头位置和激波波后位置所对应区域；所述步骤S3中，测量点至少包括一个位于激波波头位置所对应区域中的测量点，和一个在位于激波波后位置所对应区域中的测量点。5.根据权利要求1所述的一种高焓流场热化学非平衡辨识分析方...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋华振，谌君谋，文帅，林键，陈星，陈勇富，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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