用于激波管界面不稳定性中密度场三维分辨诊断的激光差分干涉层析技术

The investigation into the evolution of fluid interfaces in a shock tube is an important experimental method for interface instability research. In these experiments, planar laser-induced ?uorescence(PLIF) can be using to intutively record the concentration field. However, PLIF is incapable of absolute density measument and three-dimensional imaging. With the progress of theoretical model and numerical simulation from 2D to 3D, the need to develop three dimensional measurement tools adapted to this study was a major concern..In this project, an interferometric tomography will be using to 3D measure the density field of shocked gas cylinder instability, which would be a potential tool for visualization of fluid. Firstly, we would study the algebraic reconstruction algorithms, differential interferometry and data proecssing method of fringes Secondly, we would build up a single direction shearing interferometer and multi-directrion shearing interfergermeter equipment to visaulizing and measureing the density fields of gas cylinder at prophase and midphase of evolution.The results of experiment would be use to validate the three dimensional simulation code.

在激波管中开展激波加载流体界面实验是目前进行界面不稳定性研究最主要的实验方法。在此类实验中通常采用激光诱导荧光（PLIF）技术对流场某个"切片"的密度场进行诊断，具有图像直观的特点，但它只能半定量测量密度，且不具备三维分辨能力。随着界面不稳定性研究的不断深入，理论模型和数值模拟程序已经逐渐从二维分辨发展到三维分辨，因此，发展具有三维分辨能力的流场诊断技术具有非常重要的意义。.本项目将激光差分干涉技术与计算机层析技术相结合，用于激波作用下气柱演化密度场三维分辨的定量测量，将极大丰富界面不稳定性测试手段，并具有重要应用前景。项目首先研究计算机层析的重建算法、差分干涉测量气体密度技术、干涉条纹数据处理方法等关键技术，并依次搭建单方向差分干涉装置和多方向差分干涉计算机层析装置，用于激波作用下气柱演化前期和中期密度场的诊断，获得三维分辨体密度场，为界面不稳定性研究的二维和三维模拟程序提供校验数据。

激波管界面不稳定性研究通常采用纹影方法对流场进行面投影诊断，或者采用激光诱导荧光（PLIF）技术对流场某个“切片”进行诊断，它们具有图像直观的特点，但只能定性或者半定量测量密度，且不具备三维分辨能力。随着界面不稳定性研究的不断深入，理论模型和数值模拟程序已经逐渐从二维分辨发展到三维分辨，因此，发展具有三维分辨能力的流场诊断技术具有非常重要的意义。本项目将激光差分干涉技术与计算机层析技术相结合，用于激波作用下气柱演化密度场三维分辨的定量测量，将极大丰富界面不稳定性测试手段，并具有重要应用前景。. 首先完成了有限投影范围内有限投影角度下计算机层析重建算法研究，包括改进型联合代数重建算法和变分正则化重建算法，并对激波作用下气柱密度场进行数值仿真重建，两种重建算法在8个投影方向时能够基本重建出气柱密度场，在16个投影方向时则较好重建出气柱演化的涡结构，这为后续系统设计奠定了理论基础。. 接着完成基于4f结构的横向差分干涉仪设计、研制，其具有在保持干涉条纹空间频率不变前提下，剪切量连续可调的优点，利于大密度梯度（鞘层结构）的诊断，并完成相应数据处理方法研究及处理软件编制。优化的改进的傅里叶变换方法能够解决条纹增生的问题，提高了实验数据的分析能力。. 完成激光干涉方法测量气体密度理论方法研究。. 完成6-8方向差分干涉计算机层析装置的设计、研制，完成8方向投影的酒精灯火焰场的诊断实验，实验重建出酒精灯火焰场的三维相位分布。在此基础上，设计研制了激波管装置上的6方向投影的差分干涉计算机层析测量装置，完成激波作用下圆形气柱和椭圆气柱界面不稳定诊断实验近20发，通过数据处理重建出椭圆气柱的相位界面。动态实验诊断结果体现出了差分干涉计算机层析装置的高灵敏度和三维空间分辨能力的优势。