片光流動顯示:簡介,基本原理,基本實驗裝置,各種典型片光顯示技術,光學多片光顯示,

片光流動顯示是風洞和水洞試驗的一項強而有力的試驗手段，可以顯示空間某個截面渦的形態、渦核、渦旋轉方向和細微結構以及湍流邊界層細微結構及其隨時間的變化，翼尖渦等等。

某些流場中存在一些特定的區域，其流速與其周圍流場的流速有明顯的差異，如果在該區域的上游投入示蹤粒子，用一片強光照亮該區域和其周圍流場的某個截面，當示蹤粒子流過該截面時就被照亮，向四面八方散射光。片光照亮的區域總是有一定的厚度，由片光的厚度決定，一般為零點幾毫米至幾毫米。示蹤粒子流過片光照亮的截面時，速度較低的示蹤粒子在片光區內滯留的時間較長，而速度高的示蹤粒子滯留時間短，因此在某個小的時間間隔內，片光截面上的流場中速度較低處的示蹤粒子數量密度將大於速度較高處的示蹤粒子數量密度，散射的光較強，而後者散射的光較弱。這樣，由流過片光截面的示蹤粒子群體散射的光強差別顯示出流場中某個截面上的流速差異，這就是片光流動顯示技術的原理。

基本介紹

中文名：片光流動顯示
外文名：The piece of light flow display
套用：風洞和水洞試驗
作用：顯示技術
基本裝置：透鏡、示蹤粒子發生器
技術基礎：雷射器的發展

簡介,基本原理,基本實驗裝置,各種典型片光顯示技術,光學多片光顯示,掃描片光流動顯示,微機控制的多片光流動顯示,

簡介

現代飛行器設計中對升力和大迎角時的性能要求不斷增大。越來越多的設計人員希望得益於脫體渦的非線性升力，以提高’飛行器在大迎角時的機動性能。這就要求對飛行器周圍的渦流場有詳盡的了解;層流翼型飛行器研製也要了解諸如翼尖渦對尾翼的影響，機身渦的情況等等。許多研究人員正在致力於邊界層的研究，特別是湍流邊界層的研究和邊界層控制技術研究，以圖利用邊界層控制技術改善飛行器的性能。火箭和飛彈研究人員非常關心大迎角狀態下機身渦的狀態，因其直接與火箭和飛彈大迎角狀態下的飛行穩定性有關。片光流動顯示技術是為滿足這些需求而產生並發展起來的。1960年雷射器的問世，為片光流動顯示技術的發展提供了廣闊的前景，尤其是80年代後，隨著大功率連續輸出的氫離子雷射器和高重複脈衝頻率的銅蒸汽雷射器的日益成熟和商品化，使得片光流動顯示技術有了長足的進展，並從實驗室中走出進人大型生產性風洞和水洞，成為風洞和水洞試驗的一項強而有力的試驗手段，可以顯示空間某個截面渦的形態、渦核、渦旋轉方向和細微結構以及湍流邊界層細微結構及其隨時間的變化，翼尖渦等等。

基本原理

基本實驗裝置

其基本裝置如圖所示，雷射器發出的光經

和

組成的反望遠系統後經過一個柱面透鏡

即形成片光輸出。反望遠系統的作用是控制片光的厚度及減小片光在厚度方向上的發散角，亦稱為準直器。透鏡

的焦距與透鏡

的焦距的比值即為該系統的角縮小係數，比值越大將使輸出光的平行度越好，片光的厚度越薄。選擇適當的焦距比值可得到所希望得到的片光厚度和厚度方向的發散角。如果對片光的質量要求不高，作為最簡片光系統，反望遠系統這部分也可以省略掉，只由雷射器和柱面鏡即可組成片光系統。

是柱面透鏡，是形成片光的關鍵部件，在與其軸線垂直的截面內，在某個方向上該透鏡對穿過的光線的方向不產生影響，既不使其會聚也不發散，即焦距為無窮大;而在與該方向正交的方向上產生會聚(凸柱面透鏡)或發散(凹柱面透鏡)，即焦距為某個固定數值。該透鏡這兩個方向上對光線作用的不同特性，使透過的光形成片光。對光線產生作用方向的焦距越短，會聚或發散的程度越大，片光覆蓋區域亦越大，當然片光截面的光強亦下降。根據使用的要求，選擇適當焦距的柱面透鏡，可獲得滿意的片光用於顯示流場。目前在大型風洞中的片光流動顯示技術大都採用連續波輸出的氛離子雷射器，輸出功率為幾百毫瓦至十幾瓦，亦有採用高脈衝重複頻率的銅蒸汽雷射器的。在很小的風洞中也可採用He一Ne雷射器，設備成木將大為下降。

示蹤粒子發生器，或稱發煙器，及粒子投放裝置是另一個關鍵設備，各種各樣的發煙劑或經過自行揮發，或經過加熱或其他物理或化學過程變為直徑為微米量級的示蹤粒子，經由粒子投放裝置投放到風洞試驗段的上游，隨流體流向片光照亮的區域即可實現片、光流動顯示了。水洞中一般採用固體粒子或氫氣泡及由各種發泡劑產生的微小水泡:，示蹤粒子的質量密度最好與流體的質量密度接近，以保持良好的跟隨性;其對光的散射能力要儘可能強，以便顯示流場更多的細節。由於示蹤粒子在試驗模型的流場上游的投放位置直接影響顯示的效果，投放裝置應能在投放截面中進行二維移動，以便將投放點調整至最佳位置。在流體品質要求比較高的風洞中還應在粒子投放管的外部套上整流罩，以減小其對流體的干擾。

各種典型片光顯示技術

光學多片光顯示

如圖是一種五片光光學多片光系統簡圖。這種技術是用能量分割的原理，將一束光分成多束，每一束分別形成一個片光來同時實現多片光顯示的。雷射束從片光轉角裝置2的心中處圓柱形孔洞中穿過射到分光器3，有能量占2/5的雷射波成直角地向圖中的右邊反射過去，另外3/5的雷射透過其射向分光器4，分光器4將能量占2乃的雷射成直角向圖中左方反射過去，另外1/3的雷射透過其後射人柱面透鏡，射出後形成中間位置的片光;向右邊射出的光在分光器8處等量分成兩束光，反射光經柱面透鏡形成片光，透射光由反射鏡6反射後經柱面透鏡形成最右邊的片光;向左方射出的雷射亦同樣經分光器9分束和經反射鏡7反射後再經柱面鏡分別形成左面的兩個片光，這樣就一共同時形成了五個片光可用於同時顯示流場中五個不同的截面。調整分束器和反射鏡的位置就可以調整五個片光問的相對位置，以適應不同模型的試驗要求。各個分光器的透反射比間的差異是為了保證每個片光的能量都相同，亦即亮度相同。大多數情況下這種方式的顯示結果很好，比較通用。當設計專門用於顯示大迎角渦流場試驗的片光系統時，採用分立的柱面鏡方式，令各個片光的能量沿順氣流方向逐漸變大，且片光的發散角亦由小變大將得到最佳的多片光系統。因為大迎角渦流場中渦區的線度迅速變大，在模型自身的上游區和下游區差別很大。

掃描片光流動顯示

片光顯示試驗中有時需要對流場全貌建立一個清晰的概念。掃描式片光流場顯示技術可以滿足這個要求。如圖在常規的單片光系統的片光輸出處增加一個由轉鏡或其他方式構成的光掃描器，由掃描驅動器驅動使片光按某種方式掃描，即構成了掃描片光顯示系統。一個典型的例子如下：光束掃描器可使片光在40度範圍內擺動掃描，正掃描時間為3~6s，可調，回程時間小於0.1s，亦可將片光停在掃描區內任一截面上。在工程掃描的時間歷程中片光在幾秒鐘的時間內連續掃過流場的各截面，使觀察者很容易建立起對流場的整體印象，以利於進一步地深人研究那些感興趣的區域。這種技術尤其適用於對渦流場的研究，可以將渦的生成、發展過程、破裂點及破裂區的整體結構勾畫出來，是對渦的整體結構的一個快捷的了解方法。

微機控制的多片光流動顯示

人眼有一種特殊的生理現象—視覺暫留，即.人眼所看到的圖像或景物不是轉瞬即逝，而是在人眼中滯留約0.1s的時間，即人眼的時間信號的通頻帶只有十多赫，即使是截止頻率也只有30一50Hz側，電影與電視以及卡通片就是基於人眼的這種特性才得以實現的。多片光的時間分割實現方法也是基於人眼的這種特性。令雷射片光進行階梯式的高速掃描運動，即在每個顯示截面處片光停留一定的時間再迅速躍至下一個顯示截面，停留一定的時間後再迅速躍至下一個截面處，就這樣一步步地完成整個掃描過程。當掃描頻率達十幾赫時，人眼的主觀感覺就是在各個顯示截面都有一個片光在同時進行顯示，即實現了時間分割的片光顯示。當掃描頻率超過40Hz時，片光的閃爍現象亦明顯微弱近於消失，可得到高質量的多片光顯示結果。一次掃描過程的階梯個數決定片光的個數，調節每個階梯的寬度和高度可控制顯示截面的位置和片光的相對亮度。可以用多種方法實現這種階梯掃描，下面敘述一套由單片微機控制，由驅動器、步進電機、轉鏡及其他光路組成的多片光系統。

如圖為系統構成簡圖，由8的8單片機、運行控制軟體與數據存儲器、控制按鍵、掃描驅動器、掃描器、片光形成光路等組成。其核心為8098單片機。該單片機是準16bit單片機，內部數據處理為16bit，輸出是8bit，雖然精度不算高也可滿足使用要求。其上的A/D口可用於反饋監視，串列口用於與主計算機通信，修改或更換運行控制軟體和原始數據，不通信時該.羊片機完全獨立運行，與主機尤關，由它控制整個系統的運行，產生階梯掃描控制信號和步進脈衝控制信·號送至掃描驅動器，接受按鍵輸入的控制命令並進行相應的處理等等。掃描驅動器接受8098單片機的控制信號，經過放大輸出功率信號驅動掃描器中的步進電機，帶動掃描機構使轉鏡階梯式轉動，形成多片光顯示。操作人員可用按鍵控制整個系統的運轉，選擇4一9片光的光片數，選擇掃描速度等等。

片光流動顯示