施利伦成像:一种可视化超音速流特性的技术

当流体的密度发生显著变化时，就会发生可压缩流量或高速流。当超音速流经过身体时，冲击波和膨胀波在身体周围形成。冲击波是一个极其薄的区域，^在10-5米，其中流动属性显著变化。当压力在波内持续减小且流速增加时，就会发生膨胀波。

schlieren 成像方法是一种基于密度的流量可视化技术，用于检测流体折射率的变化，这与冲击波或膨胀波中流体密度的变化成正比。这使得超音速流场中的冲击波和膨胀波模式得以可视化。

如图 1 所示，schlieren 成像系统将由流中的密度梯度引起的角光差转换为屏幕上的光强度差异。流动现象通过固有的密度变化可见。如图 1 所示，平行光源自光源，通过凸透镜 L1 的聚焦点，并照亮超音速风洞测试部分的可压缩流场。穿过测试部分后，射焦光射线在其焦点处通过镜头 L2 收敛并进一步移动，直到投影到屏幕上。位于镜头L2焦平面上的刀刃K，对于确保屏幕上的图像质量至关重要。阻止某些偏转光可显著增强屏幕上投影图像的对比度。如果没有刀刃的适当堵塞，通过密度变化流体的偏转事件光的可见性将受到影响。

图 1:施利伦成像系统的示意图，显示位于镜头L2焦平面的刀边K阻挡的偏转光。

本实验中使用的 schlieren 成像系统如图 2 所示，它是与图 1 所示的替代方案。两种配置之间的主要区别是图 1 中的凸透镜对，而图 2 中使用了一对凹透镜。所有其他组件都相同。

图 2:演示中使用的施利伦成像系统的原理图。

在这个演示中，一个半角为15度的圆锥体在马赫2.0处受到超音速流动的影响。在图 3 中，观察到锥体上的冲击唤醒和膨胀风扇。从理论上讲，斜冲击应在锥面以 33.9° 的角度形成。实验角度测量为33.6°，如图3B中的红线所示。与理论数据相比，误差百分比小于1%。此外，该流可视化方法能够显示模型后缘上的扩展风扇。

图 3:马赫 2 的 Schlieren 图像流过 15° 半角圆锥体。A） 原始图像。B） 高亮显示的要素，在前缘显示冲击波，在后缘显示扩展风扇。

schlieren成像技术是基于流体密度变化的经典光流可视化技术。这是一个简单的系统，由凹面镜、刀刃和光源建造。通过该系统，可以可视化冲击波和膨胀波等超音速流动功能。但是，这种技术对低速流具有灵敏度限制。

schlieren成像方法可用于各种应用，特别是在流体力学研究和湍流可视化方面。Schlieren 成像提供了关于复杂流结构在可压缩、湍流和试飞中的空间分布的宝贵信息。

这项技术还用于超音速飞机的空对空摄影，包括利用太阳和/或月球作为光源，将沙漠地面用作投影表面，以可视化冲击波。通常，超级计算机和风洞测试用于预测飞机上冲击波的形成、传播和合并。为了提高这些预测的质量，以各种速度和高度收集了声震测量数据库。这种技术允许全尺度飞机的超音速流动可视化，而不是缩小模型。

这种技术也可以适应Scramjets。Scramjets 是空气呼吸发动机，依靠飞机的纯转速在燃烧前将空气压缩到发动机中。聚焦-施利伦可视化能够显示燃油喷射、混合湍流结构以及 Scramjet 发动机内的冲击波。