基于BOS的气动光学波前测量技术研究及其应用

平行光束在变折射率流场中传输时, 会偏离其原来的传播方向, 同时产生波前畸变. 根据Malus 定律, 若能测得平行光束透过流场后的偏折角, 就可得到波前畸变的空间梯度, 进而采用波前重构算法计算波前畸变的空间分布. 背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS)的两个特性为测量波前畸变提供了有利条件: BOS 技术通过测量参考背景图像和实验背景图像之间的相对位移, 可对光束通过流场后的偏折角进行定量测量; 在纹影模式的BOS 系统中, 只有垂直于背景图像的平行光线才能入射到相机, 便于研究平面光波透过流场后的波前畸变. 有鉴于此, 本文基于纹影模式的BOS 系统, 构建了波前畸变的空间梯度和背景图像位移的定量关系, 并选用Southwell 波前重构算法, 开发了一种测量气动光学波前畸变的新方法——基于BOS 的波前测量技术(BOS-based wavefront technique, BOS-WT). 本文构建的一套BOS-WT 系统, 其时间分辨率高达6 ns, 时间相关分辨率最高可达0.2 μs, 能够对波前的瞬态分布进行时间相关的定量测量,而且设备简单、易于操作. 采用该系统, 研究了超声速混合层的气动光学性能, 测得了时间间隔5 μs 的瞬态波前分布; 测量结果不仅再现了平面光波通过超声速混合层后波前的瞬态分布, 而且对比两个时刻的测量结果, 可观察波前随时间的演化规律.     

基于NPLS的超声速层流/湍流后台阶流动精细结构研究

在Ma=3.0低噪声、吸气式超声速风洞中,对台阶高度h=5mm的超声速后台阶流场进行了精细结构测量.通过改变台阶上游壁面的表面粗糙度,实现了超声速层流、湍流两种后台阶流动.采用NPLS技术对流场整体结构的时空演化特性以及4个局部典型区域的细节结构等方面进行了实验研究.瞬态流场揭示了扇形膨胀波系、再附激波、超声速边界层及其分离、再附和恢复等结构的空间特征.通过比较时间平均的结果,可知超声速湍流后台阶流动分离后的膨胀角较大、回流区的长度相对更短,而再附后重新发展的边界层厚度以较小的倾角增长,但两种流动的再附激波角度大致相同.在时间演化上,超声速层流后台阶流动主要表现为K-H涡结构的变形受剪切、膨胀、再附以及三维效应等影响;而湍流后台阶流动则主要表现为大尺度结构在再附点前后受膨胀、黏性以及再附后逆压梯度的作用而倾斜和变形.对局部区域的研究表明,在超声速层流后台阶流场中微弱压缩波与当地对流马赫数和K-H涡结构的诱导作用有关,并且在下游汇聚成再附激波的现象明显;而湍流后台阶流场中则未有明显的压缩波和K-H涡结构,其再附激波的形成主要与壁面的压缩效应有关.     

基于光学测量的纳米孔单分子分析技术

纳米孔技术因其无标记、低成本、便携式和超高灵敏度等优点受到许多关注,但传统的电测量方法仍受到非理想器件噪声、低通量以及时空分辨率不足等限制.目前已经有许多策略被提出来改进和解决这些限制,其中高带宽和高通量的光学测量技术可以被用来补充或替代电测量.本文总结了基于荧光、等离激元共振效应和表面增强拉曼散射等光学测量方法的纳米孔单分子研究进展,并展望了时空分辨光学纳米孔测量的前景.     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

超声速半球绕流实验研究

基于NPLS技术,在超声速静风洞中对超声速半球绕流流场进行了实验研究,观察到了三维弓形激波及其与边界层相互作用所诱导的转捩/分离区,再现了超声速半球绕流流场的复杂结构.根据所得NPLS图像的时间相关性,分析了绕流流场结构的时空演化特征,得到了大尺度涡结构在流向和展向的运动特征,并且观察到了明显的周期性和相似的几何结构特征.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

超声速混合层密度场测量与近似重构

利用纳米示踪粒子研究了超声速混合层的密度场结构.探讨了基于实验图像的密度场校准方法,采用斜激波实验校准了示踪粒子浓度与当地流场密度之间的关系.针对混合层流动图像的实际特征,校准了光强分布不均匀对密度场测量的影响.以对流马赫数0.12混合层为研究对象,测量得到了相应的密度场结构.根据混合层展向结构的涡结构特征和流向的密度场分布,近似重构了超声速混合层的密度场,所得到的密度场结构较好地反映了混合层流动的三维特征.     

磁云边界层中等离子体波的Wind飞船观测

根据Wind飞船上工作频率在4~256 kHz的热噪声接收器(TNR)的等离子体波和相关太阳风与磁场的观测资料, 我们分析了60余个磁云边界层样本中的等离子体波活动, 首次发现磁云边界层(BL)中常常存在不同于邻近太阳风(SW)和磁云体(MC)中的、丰富多姿的等离子体波活动. 它的一些基本特征是: 在电子等离子体频率(f_pe)附近的朗缪尔波增强是磁云边界层中最占优势的一种波活动, 约占总样本数的75%; 朗缪尔波和频率f < f_pe的离子声波活动都增强的事件, 约占所研究样本的60%; 也在一些边界层中于热噪声接收器整个频段内观测到一种宽频带的等离子体波活动增强现象, 约占研究样本的30%, 这在研究样本中的邻近太阳风和磁云体中没有观测到; 此外, 分析还揭示, 电子与质子温度比T_e/T_p≤1时还常能在磁云边界层中观测到离子声波增强活动, 传统的等离子体理论遇到了解释上的困难. 文中的新结果进一步说明磁云边界层是一种重要的动力学结构, 它将对了解磁云边界层物理提供重要的诊断, 也为发展空间等离子体波理论开拓新的空间.     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

脑神经活动光学显微成像技术

大脑包含数亿至数千亿的神经元以及更为复杂的神经突触连接网络,是生物体中最复杂的器官.脑科学是21世纪以来最重要的前沿新兴学科之一,它的兴起标志着人类在认识自我、探索智慧和意识的本质中进入了一个新时代.在活体中对大脑神经活动进行长时间、大视野、高时空分辨率的观测,是解析大脑功能的关键.光学显微成像技术以其时空分辨率高,光学探针的特异性和多样性等优势,成为了脑神经活动研究的重要工具.针对大脑的高度散射、高速神经信号传递、超大神经元规模、精细突触连接结构等特性以及自由活动动物的脑神经活动观测需求,本文将从超深、超快、大视场、超分辨、微型化5个发展方向,概述包括多光子、红外二区、光声、光片、结构光以及自适应光学在内的多种光学显微成像技术在脑神经活动显微观测领域的发展进展及前沿动态,并展望脑神经活动光学显微成像技术的未来发展方向与前景.     

激波不稳定性效应的k-ε可压缩修正湍流模型

针对高速可压缩湍流流动, 在已有的压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正湍流模型基础上, 引入激波不稳定效应修正, 发展了一个新的可压缩性修正k-ε湍流模型. 新模型采用抑制湍流动能和耗散率方程中湍流动能产生项的方法模化激波不稳定性效应, 压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型. 新模型物理意义明确, 形式简单, 可适用于超声速复杂湍流流动. 对自由流动中超声速混合层和复杂的超声速横侧射流干扰流场的多个工况进行计算分析以及与实验结果的比较, 表明本文发展的k-ε模型能抑制过大的湍流动能增长, 预测结果显著优于标准k-ε模型. 对超声速混合层流动, 新模型准确预测到了混合层增长速率随对流马赫数增加而减小的趋势, 与实验结果符合地较好. 对复杂横侧射流干扰流场中的分离流动, 激波不稳定性修正抑制激波区域过大的湍流动能增长, 计算出较宽的激波区域, 从而显著改善了对强分离流动的预测结果. 流体分离越强, 修正模型效果越明显, 即使在强分离情况下, 新模型的预测结果也与实验结果较好吻合.     

面铣刀气动噪声数值模拟及不等齿距面铣刀的降噪方法

高速面铣刀气动噪声由离散噪声与对总噪声影响较大的宽带噪声组成. 针对高速面铣刀流场和声场的非定常特点, 采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对面铣刀周围气流特性进行数值模拟, 分析铣刀容屑槽区域的速度分布. 计算线性欧拉方程(linear eulerequation, LEE)中的声源项确定铣刀表面声源位置及强度. 通过应用基于Lighthill 声学类比的Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)积分变换方程计算获得远场噪声. 针对铣刀表面不同声源产生的气动噪声频谱进行分析, 发现铣刀容屑槽及刀片前刀面是高速面铣刀气动噪声的主要声源. 等距及不等距铣刀噪声频谱分析表明不等齿距布置可改变频谱声能分布, 降低离散噪声的基频峰值,进而可降低铣刀气动总噪声.     

激波诱导甲烷点火化学反应区的可视化实验研究

研究激波诱导甲烷/空气混合物点燃的反应区特征, 对于认识其气相爆轰规律有着重要意义. 在激波管平台上, 进行了当量比甲烷/空气混合物的激波点火实验, 并采用化学发光成像和平面激光诱导荧光(PLIF, planar laser induced fluorescence)等方法得到了不同工况下的反应区特征. 结果表明, 由于在弱点燃工况下诱导区的着火延迟期沿激波传播方向的梯度较小, 给非线性化学反应过程提供了更多的时间, 反应特征出现显著的不均匀性; 而随着激波的增强, 这种不均匀性显著减小, 在强点燃工况反应区呈规则的爆轰波结构. 单脉冲PLIF方法测量的OH基相对分布揭示的反应区特征与文中其他方法的测量结果相一致, 并和前人的相关研究结论相符, 为激波管内激波和气相物质相互作用条件下进行高时空分辨率测量提供了新的方法和思路.     

高超音速气流中尖头与小鈍头细长体的表面压强分布、边壁摩阻及热传导

为了減少气动加热,高超音速飞行器多采用小钝头细长体的外形。在高超音速气体流过这种物体时,会产生钝头效应、附面层位移效应、横向曲率效应及真实气体效应等流动现象。实际的高超音速细长体绕流问题中,钝头与粘性的影响往往同样重要。1960年,郑显基等人最先分析了钝头与附面层位移效应的联合作用。他们将波后扰动流场分为激波层、无粘熵层及附面层三部分。在讨论钝头与粘性联合作用的相似律时,曾     

固体绝缘介质中的空间电荷效应及应用

本文从测量、危害、抑制方法、应用、仿真等研究角度出发,概括介绍了固体绝缘介质中空间电荷研究的发展历史及进展.目前广泛使用的测量空间电荷分布的技术大体上分为声学效应方法和热学效应方法,这两类方法的空间分辨率和应用范围均有所差异.对于空间电荷能量陷阱的分布测量,目前还缺乏切实可靠的方法与技术,常用的热刺激放电电流法和光刺激放电电流法的结果无法进行对比.近年来出现了压激电流法的研究,但这一方法仍在试验中.针对空间电荷引起的电场畸变和放电破坏等危害,已出现了诸如绝缘介质表面改性、原料添加剂改性等多种有效的方法.电介质中空间电荷的存在有弊也有利.空间电荷效应最主要的应用是驻极体材料的应用,关于驻极体的制备方法、电荷特性以及应用均有大量的研究.对空间电荷的仿真研究可分为空间电荷行为的物理模型研究和实验测量数据的处理,其发展相对其他研究领域较为落后.     

激发态分子的简并的四波混频

引言 用简并的四波混频技术可以方便地测量透明介质的三阶非线性光学极化率。对于处于基态状态下的介质,其非线性特性是比较清楚的,然而,人们对处于激发态的介质的非线性光学特性了解得很少。当介质对入射光波有吸收时,有一部分粒子被激发到高能态,在简并的四波混频中,常常利用这种共振增强效应来增大三阶非线性光学极化率,但此时只是研究在激发     

高超声速空气动力学研究进展与趋势

高超声速空气动力学是空气动力学研究的前沿,它随着现代高超声速飞行器的发展需求而发展.未来高超声速空气动力学的发展趋势可大致概括为:重视物理建模、预测的精细化;重视实用的高性能计算、海量信息的提取和理解;重视飞行器与流动的非定常、非线性的耦合运动及控制研究;重视多目标/多学科优化设计、发展新的交缘学科.建议学科重点发展方向为:高温气体、化学非平衡效应与材料耦合响应的物理建模;临近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的数值模拟;高速飞行器动稳定性与控制;实用高性能计算方法与海量信息的提取;气动数据不确定度与多目标优化;多物理场耦合、多尺度数值模拟方法.     

快电子电路的光测法

超快集成电路产生的电脉冲不能用普通方法测量,这已成为工程师们发展电路的问题.现在AT&T贝尔实验室已找到了解决办法.他们发明了一种分辨率为0.3微微秒的电子光学测量方法,这比现在     

激波不稳定性效应的k-ε可压缩修正湍流模型

针对高速可压缩湍流流动,在已有的压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正湍流模型基础上,引入激波不稳定效应修正,发展了一个新的可压缩性修正k-ε湍流模型.新模型采用抑制湍流动能和耗散率方程中湍流动能产生项的方法模化激波不稳定性效应,压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型.新模型物理意义明确,形式简单,可适用于超声速复杂湍流流动.对自由流动中超声速混合层和复杂的超声速横侧射流干扰流场的多个工况进行计算分析以及与实验结果的比较,表明本文发展的k-ε模型能抑制过大的湍流动能增长,预测结果显著优于标准k-ε模型.对超声速混合层流动,新模型准确预测到了混合层增长速率随对流马赫数增加而减小的趋势,与实验结果符合地较好.对复杂横侧射流干扰流场中的分离流动,激波不稳定性修正抑制激波区域过大的湍流动能增长,计算出较宽的激波区域,从而显著改善了对强分离流动的预测结果.流体分离越强,修正模型效果越明显,即使在强分离情况下,新模型的预测结果也与实验结果较好吻合。     

镧La3+与1,10-二氮杂菲配位化合物的三阶非线性光学效应研究

运用Z Scan技术首次测量并研究了 1,10 二氮杂菲、硝酸 [二 (1,10 -二氮杂菲 )合镧 (III) ]、硝酸 [一 硝酸 一 氟脲嘧啶 二 (1,10 二氮杂菲 )合镧 (III) ]乙醇溶液的非线性折射率n₂ ,计算了三阶非线性光学极化率 χ⁽³⁾ 和〈γ〉 ,并对稀土金属离子镧La³⁺ 引起 1,10 二氮杂菲三阶非线性光学效应的增强机制做了初步的探讨 ,为合成具有强三阶非线性光学效应的稀土金属有机配位化合物提供信息 .