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更新時間：2025-12-30
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說明
一、原理與系統(tǒng)組成
它是產生正激波的通用實驗設備，其基本原理是：利用一維非定常氣體動力學原理，通過高低壓段氣體之間的膜片破裂，產生運動激波向低壓段傳播（入射激波）并在低壓段端面反射（反射激波），同時稀疏波自破膜處向高壓段傳播，如圖1所示。入射和反射激波可提供不同壓力、溫度和速度條件的準定常氣流，適合研究物理、化學、氣體動力學等基礎性問題。
圖1 原理示意圖
在完成夾膜后，左側的它盲孔、高壓段管道、夾膜段和膜片形成了可容納高壓氣體的密閉區(qū)域，習慣上稱這一部分為“高壓段"（或者“驅動段"）；夾膜段、膜片、低壓段管道、實驗段和右側的它盲孔板形成的密閉區(qū)域稱之為“低壓段"（或者“被驅動段"）。根據它理論中的標記習慣，在形成激波的初始時刻，高壓段內的區(qū)域被稱為“4區(qū)"，該區(qū)域內壓力記為P4；低壓段內的區(qū)域被稱為“1區(qū)"，該區(qū)域內壓力記為P1。1區(qū)氣體受入射激波壓縮后形成2區(qū)氣體，3區(qū)為4區(qū)經膨脹波后的氣體狀態(tài)，2區(qū)和3區(qū)的交界面稱為接觸面。高壓段與低壓段的初始壓力比記為P41，則有
對于理想激波管，P41決定著激波的馬赫數Ms，其數學關系可以描述為
式中，
和
分別為1區(qū)和4區(qū)內氣體的比熱容比；a14為1區(qū)與4區(qū)的聲速比，由聲速公式
其中，
為通用氣體常數，T為氣體熱力學溫度，M為相對分子質量，可以得到
二、主要作用
（一）化學實驗
5區(qū)為低壓端面氣流經反射激波再次壓縮后的氣體狀態(tài)，具有高溫、高壓、靜止的特點，溫度可達2000K以上，可用于開展0維燃燒實驗，研究點火延遲時間等基礎燃燒特性。由于5區(qū)的壓力和溫度僅取決于馬赫數Ms、1區(qū)壓力P1、1區(qū)溫度T1，且這3個參數是可調、可測的，所以5區(qū)的實驗條件是可以高精度控制、調節(jié)、預測的，這為開展燃燒實驗提供了理想的條件。例如，點火延遲時間是燃氣達到點火溫度與發(fā)生燃燒的時間差，其典型測量結果如圖2所示，下面3條線是它上3個壓力傳感器測得的5區(qū)實驗段壓力躍升，上面1條綠色線記錄了燃氣的燃燒發(fā)光現(xiàn)象，可以看到5區(qū)形成高溫高壓的時間與燃燒發(fā)光現(xiàn)象的發(fā)生存在時間差，即為點火延遲時間。
圖2 點火延遲測量實驗結果
（二）氣體動力學實驗
（1）基于激波的氣體動力學實驗。入射激波馬赫數Ms和反射激波馬赫數MR可以通過調節(jié)P41和它內氣體的種類實現(xiàn)控制，且可以由安裝在它上的傳感器精確測量，這就為實驗提供了理想的一維定常運動正激波。通常條件下，入射激波馬赫數Ms可覆蓋1至4，反射激波馬赫數MR可覆蓋1至2。課題組在它內開展了正激波與激光引致的空氣泡相互作用過程研究，紋影實驗結果如圖3所示，圖中豎線為正激波，外面圓形為激光等離子體引致的球面激波，中心圓形區(qū)域為激光等離子體引致的高溫低密度熱核。
圖3 正激波與激光引致的空氣泡相互作用紋影照片
（2）基于高速氣流的氣體動力學實驗。2區(qū)為入射激波后的伴隨氣體，3區(qū)為4區(qū)經膨脹波后的氣體，二者都具有比較高的氣流速度。在某些特性情況下，2區(qū)和3區(qū)的氣體可達超聲速，3區(qū)氣流馬赫數可超過2，2區(qū)和3區(qū)的氣流可用于氣體動力學實驗。圖4為高速氣流通過斜劈時的激光散射實驗結果，斜劈安裝在它實驗段。
圖4 高速氣流通過斜劈時的激光散射實驗結果
（三）驅動激波風洞
5區(qū)為低壓端面氣流經入射和反射激波兩次壓縮后的氣體狀態(tài)，可以獲得1MPa左右壓力和1000K左右的溫度，在端面連接拉法爾噴管和真空倉（提供必需的低背壓），可起動超聲速風洞，即激波風洞，常規(guī)驅動狀態(tài)下激波風洞馬赫數可達6，實驗時間為5ms左右。課題組在激波風洞內開展了馬赫5條件下的飛行器外流場激波特性實驗，拍攝的紋影照片如圖5所示，激波風洞的馬赫數由拉法爾噴管決定，更換拉法爾噴管可獲得不同的實驗馬赫數，實驗區(qū)截面直徑超過100mm。
圖5 激波風洞及馬赫5條件下的飛行器外流場紋影照片
（四）標定光學傳感器
根據正激波波前波后關系式，利用傳感器測量得到入射激波馬赫數Ms和反射激波馬赫數MR，結合已知的1區(qū)壓力和溫度，可以精確計算5區(qū)壓力和溫度的理論值，利用此理論值可以標定出光學傳感器對壓力和溫度的相應曲線，也可以在5區(qū)預混特定比例的氣體用于標定，精度為±5%。此方法被斯坦福大學的Hanson課題組應用，其研究成果在國際上具有代表性，見參考文獻：Ronald K. Hanson. Applications of quantitative laser sensors to kinetics, propulsion and practical energy systems. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 1–40. 斯坦福大學的實驗裝置如圖6所示，他們在它5區(qū)進行了大量的激光吸收光譜實驗，標定了光學傳感器，并利用激光吸收光譜技術測量燃燒組分。
圖6 斯坦福大學的激波管/激光吸收譜測量實驗裝置
三、實驗參數
它實驗的氣體狀態(tài)參數主要取決于它驅動方法，實驗時間取決于它長度，實驗參數調節(jié)范圍較大。以航天工程大學（如圖7所示）為例進行說明，該套建成于2015年，高壓段長6米，低壓段長6m，實驗段長1米，矩形截面，外截面尺寸為180×130 mm，內截面尺寸為100×65 mm。
圖7 航天工程大學
該套管采用常規(guī)的高壓破膜方式驅動，典型實驗參數如表1所示，驅動氣體為氮氣，實驗段氣體為空氣。需要說明的是：
（1）表中參數是理論計算結果，可作為它運行時的參考配置，與實驗結果有出入。尤其是正激波馬赫數和5區(qū)壓力，是它實驗中至關重要的基本參數，應以實驗中壓力傳感器的監(jiān)測結果為準。
（2）表中實驗時間為保守估計，預計實驗時間大于表1值。
（3）氦氣具有更強的驅動能力，同樣的P41條件下，高壓段采用氦氣將獲得更高的激波馬赫數和5區(qū)壓力與溫度。
（4）能量守恒決定了5區(qū)壓力和溫度是一組矛盾，在常規(guī)驅動條件下，難以同時獲得高的5區(qū)壓力和溫度。例如：如果需要2000K以上的5區(qū)溫度，則需要對1區(qū)預先抽真空，降低P1，但這也同時導致了P5的降低。
表1 典型實驗參數
編號 | 高壓段/Pa | 低壓段/Pa | 入射激波 馬赫數 | 5區(qū)壓力/Pa | 5區(qū)溫度/K | 實驗時間/ms |
氮氣驅動空氣 | ||||||
1 | 106 | 105 | 1.6 | 7.0′105 | 533 | 5.5 |
2 | 106 | 104 | 2.4 | 2.6′105 | 951 | 2.0 |
3 | 5′105 | 5000 | 2.4 | 1.3′105 | 951 | 2.0 |
4 | 105 | 500 | 2.6 | 1.8′104 | 1111 | 1.7 |
氦氣驅動空氣 | ||||||
1 | 106 | 105 | 2.0 | 1.5′106 | 730 | 5.4 |
2 | 106 | 5000 | 4.1 | 5.9′105 | 2394 | 0.9 |
3 | 105 | 1000 | 2.0 | 1.5′105 | 730 | 5.4 |
四、測量方法
（1）入射激波馬赫數Ms測量
入射激波馬赫數Ms是確定實驗參數的直接因素，是實驗的最基本參數，必須精確測量。其測量方法是：在低壓端安裝相距一定距離的2個或多個PCB壓電傳感器以監(jiān)測入射和反射激波速度，同時可為時序同步控制系統(tǒng)提供觸發(fā)信號。為避免PCB傳感器壓力測量受到體耦合電磁信號的影響，將PCB傳感器裝在尼龍護套中，既保護了PCB傳感器，又避免了壓力受到雜波干擾，如圖8所示。當激波到達傳感器位置時，示波器便會記錄到一個上升沿。圖9為實驗中TDS3032B示波器記錄得到的典型壓力信號，其中兩條線分別來自兩個通道，代表兩個位置的傳感器信號，它們的第一個上升沿由入射激波引起，第二個上升沿代表著反射激波到達傳感器位置。由二者上升沿之間的時間差和兩個傳感器間距，便可得到入射激波和反射激波的速度，而后計算得到馬赫數。
（2）光學測量
光學測量具有非侵入、響應快、全場觀測等優(yōu)點，是*測量技術的主要發(fā)展方向。應用于它和激波風洞的光學測量方法主要包括紋影、PIV、TDLAS、PLIF等，在實際應用中，它們各自都存在一些關鍵技術問題需要解決，本課題組在光學測量方向上也有所嘗試，發(fā)表了相關論文，在此不再贅述。
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