光ヘテロダイン干渉法の活用による変調衝撃波の内部構造と状態量遷移過程との関係解明

利用光学外差干涉法阐明调制激波的内部结构与状态量转变过程之间的关系

• 批准号: 22K04533
• 负责人: 市原 大輔
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04533/
• 关键词: 衝撃波; 光ヘテロダイン干渉計; 光Doppler式速度測定; 衝撃波管; 光ドップラー式速度計

近年，超音速旅客機の実現に向けた動きが国内外にて活発化する中で，衝撃波の発生に起因する空力性能の低下を改善すべく，衝撃波面の変調とそれに伴う状態量(密度・圧力・エントロピーなど)変化に関する深い理解が求められている．そこで本研究では衝撃波内部における粒子間衝突を介したエネルギー散逸課程に注目する．今年度は申請者の提案する光ヘテロダイン干渉法を応用した密度場の非定常測定手法に関して、衝撃波管内に発生する平面衝撃波背後の密度場測定に取り組み本提案原理の実証実験を展開した。衝撃波管内にファイバーレーザー光を導入し平面衝撃波がレーザー光を通過する際の屈折率変化量を光Doppler式速度計で測定する。実験に先立ちレーザービーム径の空間変化をビームプロファイラで取得した。コリメートレンズを通過したレーザービームは約600nmのビーム径(1/e2)を200mmにわたって維持していることが分かった。衝撃波管は62mmx62mmの矩形流路を有していることを考えると測定領域全体にわたって一様なビーム径が期待できる。次に、実際に平面衝撃波を発生させ衝撃波通過に伴う屈折率変化量を取得した。測定には広帯域オシロスコープを用い時間分解能0.65マイクロ秒を達成している。光Doppler式速度計による見かけの速度は最大で5.0m/sであった。見かけの速度は屈折率の時間変化率に比例しおおよそ80.6s-1に対応する。さらに、Gladstone-Daleの式に基づくと密度の時間変化率350g/cm3/sが得られる。衝撃波の伝搬速度と前述のレーザービーム径とから600nmのレーザービームを横切るのに要する時間を算出し上記密度の時間変化率を積分した結果、表撃破の通過による密度増加量は約0.17kg/m3と算出される。これは衝撃波管の関係式から見積もられる密度変化量とよく一致しており本提案手法の妥当性が示された。

近年来，朝着超音速飞机实现的运动在国内和国际上都变得更加活跃，为了改善由于冲击波的产生而导致的空气动力学性能下降，需要对冲击波阵线的调节和状态（密度，压力，入口等）的相关变化深刻了解。因此，这项研究的重点是通过冲击波内部粒子碰撞的能量耗散过程。今年，我们使用申请人提出的光学异差干涉法进行了该提议的原理的演示实验，重点介绍了密度场的不稳定状态测量方法，并对提出的原理进行了测试。当平面冲击波通过激光光通过光学多普勒速度计测量激光光时，将纤维激光灯引入冲击波管中，折射率变化的量。在实验之前，使用梁探测器获得了激光束直径的空间变化。发现激光束穿过准直晶镜的光束直径约为200毫米600 nm（1/e2）。考虑到冲击管的矩形流路径为62mm x 62mm，在整个测量区域中都可以预期均匀的光束直径。接下来，实际产生了平面冲击波，并获得了与通过冲击波相关的折射率变化的量。使用宽带示波器和0.65微秒的时间分辨率进行测量。光学多普勒速度表的最大表观速度为5.0 m/s。明显的速度对应于约80.6s-1，与折射率变化率成正比。此外，基于Gladstone-dale方程，获得了350 g/cm3/s的时间变化率。基于冲击波和激光束直径的传播速度，越过600 nm激光束所需的时间以及上述密度的时间变化速率，并且计算出由于桌子断裂而导致的密度增加约为0.17 kg/m3。这与从冲击管的关系估计的密度变化很好，表明该方法的有效性。