基于分子瑞利散射的湍流场二维多参数测量方法研究

In the study of the formation, evolution and mechanism of turbulence structure, there is still no effective experimental method for multi-dimensional, multi-parameter and high resolution measurements of flow field. In addition to using planar Rayleigh scattering for measurement of turbulent structure, this project is aimed to develop two-dimensional interferometric Rayleigh scattering method for multi-parameter measurement through detecting Rayleigh scattering spectra of flow field molecules by Fabri Fabry etalon. The mechanism of interference Rayleigh scattering, generation mode and detection mode of two-dimensional stimulated laser, and decoupling method of interference Rayleigh scattering spectrum in two-dimensional space are studied. Two-dimensional multi-parameter experimental measurements of typical turbulent flow field are carried out. The transient turbulent structures of the flow field are obtained by planar Rayleigh scattering, and the high-precision quantitative experimental data of the density, temperature and velocity of the flow field are obtained by two-dimensional interference Rayleigh scattering. Finally, the flows are simulated through direct numerical simulation and large eddy simulation under the corresponding working conditions, which are used to check and verify each other compared with the measurement results, provide data and reliable technical support for basic research of turbulent structures.

在湍流结构生成、演化及作用机理研究过程中，尚缺乏有效的流场多维多参数高分辨的实验测量手段。本项目拟在平面瑞利散射测量湍流结构基础上，同时采用法布里-珀罗标准具获得流场分子的瑞利散射光谱，来发展二维干涉瑞利散射多参数测量方法。研究干涉瑞利散射光测量机理、二维激励激光产生方式和探测方式及空间二维干涉瑞利散射光谱解耦方法；开展典型湍流流场的二维多参数实验测量研究，其中，利用平面瑞利散射获得流场瞬态湍流结构，二维干涉瑞利散射获得流场密度、温度及速度的高精度定量实验数据；最后通过直接数值模拟和大涡模拟计算对应工况下的流动情况，与测量结果进行校验对比和相互验证，为湍流结构的基础研究提供可靠的数据和技术支撑。

湍流问题的核心在于对湍流结构的认识，气体分子瑞利散射强度分布可以直观反映湍流结构生成演化过程，而气体分子瑞利散射光谱还携带了流场热力学和速度信息，能够为研究湍流结构的作用机理提供更多数据支持。本项目基于气体分子瑞利布里渊散射光谱，提出了结合多线激光探针、光学成像系统和图像模式标准具的二维多参数测量方法。开展了基于图像模式标准具分光的分子瑞利散射光谱仿真建模、激励光源调制方法及信号探测方法、二维干涉瑞利散射信号图像处理、多参数解耦及重建算法等研究内容，实现了湍流场二维多参数实验测量与分析，验证了该方法的可行性，取得的重要结果如下：.（1）分析了各种因素对图像模式标准具不同级次干涉条纹强度的影响，建立了图像模式标准具分光产生干涉图像的仿真模型。测量了不同压力气体分子的瑞利布里渊散射光谱，与理论模拟光谱进行了对比。.（2）模拟微柱面透镜对高斯光束的调制效果，采用远场多光束干涉产生更加密集的多线激光探针。采用光纤耦合入射激光作为参考信号，解决了系统相位的适时监测。优化了光学收集系统的成像质量，提高了诊断系统对高级次干涉点的光谱分辨能力。 .（3）实现了干涉图像的圆心定位和频谱变换。采用数值差分的方式给出了散射光谱拟合迭代计算时需要的设计矩阵。建立了流场参数与瑞利布里渊散射光谱特征之间的数学表征，通过修正标准具有效精细度和透过率，减小了温度和密度参数计算误差。.（4）平面瑞利散射技术结合一维拉曼组分测量、甲醛微量组分的激光诱导荧光诊断，系统测量了不同湍流火焰场的温度场和密度场分布，分析了湍流对燃烧化学反应的影响。采用多线干涉瑞利散射多参数诊断系统，诊断了直管和拉瓦尔喷管出口射流，获得了出口射流结构、温度、密度和径向速度场信息。瑞利散射诊断系统应用于Z箍缩喷气负载的密度测量，研究了超声喷射方式形成团簇的过程和机理，测量了初始气体的空间分布和气流湍流结构的演化过程，为未来聚变发应堆等离子注入提供了借鉴。