开展激光诱导荧光水洞实验技术研究的目的是为流动分离与涡结构显示提供实用、直观、有效的观测手段。本项工作在 1 m×1 m水洞配置的连续片光设备基础上, 针对 532 nm 波长激光光源特性, 依据光学参数匹配原则选择了罗丹明 B 作为染色剂与荧光剂, 围绕染色剂与荧光剂的配置方法, 连续激光器的激光强度、试验段流速、染色线出孔压力之间的匹配关系, 照相、摄像视场与流动结构对比度匹配关系等问题, 建立了激光诱导荧光实验系统, 对圆柱绕流及尾流结构、运输机全机模型的机翼绕流与尾流结构、运输机尾舱门周围流场旋涡结构开展了实验研究。典型的流动分离与涡结构显示结果表明: 激光诱导荧光技术具备从边界层结构到空间分离以及尾流特性等全覆盖的流场结构显示能力, 值得推广应用。

利用涡结构对光波通过高速流场的光学传输特性进行建模,就必须进行涡结构的识别.文中提出一种涡结构识别方法,首先把密度场转换的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像,进而对其进行多小波分解,计算每次分解的小波基系数的熵值,利用阈值判定低熵的为大涡的小波基系数,高熵的为小涡的小波基系数.计算机仿真结果表明,该方法能有效地进行涡结构识别,为基于涡结构的光学传输精确建模奠定了基础.

分别对稳定、基波和亚谐波周期扰动入口边界条件的二维欧拉方程进行了数值模拟,得出了射流剪切层中大涡结构的空间演化特征,计算了不同入口边界条件时的流向斯特列尔比,从而提出了对流场进行主动控制的光学意义.

用37单元哈特曼-夏克波前传感器以419Hz的帧频对加热的扁喷管气流的气动光学特性进行了测量,采用模式法进行波前重构,从而得到观测孔径内该低速热射流所造成的光程差分布,进而计算出其Strehl比,时间序列结果反映了它们的动态过程.实验给出了4.3～8m/s及44～85℃的中心平均空气流速和温度的几种不同气流参数下的光程差分布,用相关的方法得出剪切层中相干结构(涡)的流动速度,结果表明,剪切层中相干结构引起的光程差分布及Strehl比随气流参数而变化;当高于65℃时,温度的影响不明显.

通过建立物理模型,求解层流N-S方程,用数值方法模拟了二维热射流流场的有序大涡结构,计算了流场不同流向位置的光程值,分析了射流流场混合层的光学特性,得出了气动光学流场由于流场中大尺度涡结构的存在所引起的光学不均匀性,大涡结构中奇点所导致的光学畸变最大,在一定条件下大涡结构有散焦作用.