1、隨著現代航空、航天、火箭和導彈等技術的飛速發(fā)展,迫切需要將復雜流場的全場顯示和關鍵參數的測試技術由低溫應用拓展到高溫區(qū)域。光學計算層析技術作為一種實時、穩(wěn)定、非接觸的光學測量方法,在高溫復雜流場的全場顯示和關鍵參數的測量、診斷方面,仍然有其獨特的優(yōu)勢。遺憾的是,到目前為止,沒有適合高溫復雜流場關鍵參數的光學計算層析診斷理論,這是由于缺乏對此類流場光學特性的研究。針對這一現狀,本文圍繞高溫復雜流場的光學特性和層析診斷理論展開相關研究,建立

2、起一套適合此類流場光學層析診斷的理論模型與實驗測試系統(tǒng),可望為能夠較好地解決此類流場的顯示和關鍵參數的測量、診斷提供有價值的參考。主要工作如下：
　　 ⑴針對高溫復雜流場中帶電粒子等多種成分對其光學特性的影響,修正了長期用于普通氣體流場的G-D公式;提出等效粒子數密度的概念,為普通氣體流場和高溫復雜流場建立起統(tǒng)一的折射率描述模型。通過比較燃燒火焰和氬弧等離子體兩類流場的莫爾條紋偏移量,闡明了決定高溫復雜流場折射率梯度的主要因素;

3、在此基礎上,對莫爾偏折層析技術用于典型高溫復雜流場關鍵參數診斷的適應性進行了分析。
　　 ⑵通過建立燃燒火焰、火箭發(fā)動機尾焰和氬弧等離子體三類典型高溫復雜流場的色散本領與其成分、溫度和壓強以及探測波長之間的關系,詳細研究了它們的色散特性。結果發(fā)現,燃燒火焰和火箭發(fā)動機尾焰的色散本領隨溫度升高而減小;而氬弧等離子體的色散本領隨溫度變化呈現出先增大后減小的趨勢,1atm下,最大色散本領總在17000K。此外,討論了三類典型高溫復雜流

4、場關鍵參數的光學計算層析方法的選擇問題。
　　 ⑶從復介電常數出發(fā),以電弧等離子體為例,給出了其在可見光和紅外波段三個大氣窗口內的吸收系數,研究了其吸收特性。比較發(fā)現,吸收系數在可見光范圍內比其在紅外波段三個大氣窗口內小1-2個數量級;給定波長時,吸收系數隨壓強的變化是近似線性的,但卻是溫度的非線性函數,基于這個非線性關系,指出了決定高溫復雜流場出現最大吸收本領的物理本質。研究結果將為此類流場光學診斷波長的選擇提供參考,也為分析

5、光通信技術在再入過程中進行應用的可行性提供有價值的參考。
　　 ⑷選取莫爾偏折層析技術對燃燒火焰和氬弧等離子體的關鍵參數進行測量和診斷,給出了其折射率分布。在系統(tǒng)分析了燃燒火焰成分分布特點的基礎上,基于相位分布提出了溫度分區(qū)重建的理論與方法;通過與現有成分假設模型下的溫度重建結果的比較發(fā)現,考慮具體成分及分布,使得重建出的溫度分布更合理、更符合實際。基于氬弧等離子體溫度重建模型的深入推導并考慮到實際條件下壓強存在一定空間分布,對