第20卷第4期爆炸与冲击Vol.20,No.42000年10月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESOct.,2000文章编号:1001-1455(2000)04-0369-04高速摄影技术在湍流混合规律实验研究中的应用欧阳凯,廖海东,张希林,李军,杨礼兵,赵淑兰(中物院流体物理研究所,四川绵阳621900)摘要:介绍了GSJ转镜式光学高速分幅摄影机在湍流混合规律研究中的应用。给出了相应的试验条件、光路设计等。结果表明,所设计的光学系统满足物理设计的要求,获得了清晰的实验图像,为相关的物理规律研究提供了依据。关键词:高速摄影;分幅相机;湍流混合中图分类号:TB872文献标识码:A1引言圆柱形空心靶在爆轰压力作用下压缩、反弹的物理过程,是湍流混合规律试验研究的主要内容。这种实验对于流体界面不稳定性研究具有重要意义。目前人们以“果冻”技术作为湍流混合发展规律实验研究的主要方法。在这种研究中,需要观测以“果冻”为材料的圆柱形空心靶在气体爆轰压力的作用下压缩、反弹的物理过程,采用高速摄影技术是一种非常有效的观测手段。尤其是高速分幅摄影,具有一定的时间分辨本领,也具有一定的空间分辨本领,可获得连续的二维空间信息图象,一般可作为定性分析,在满足时间分辨本领的条件下,也可作定量测量。而且这种光学方法具有非接触、无干扰等特点,对实验研究不产生有害的影响,这是其它测试方法无法比拟的。根据“果冻”技术的实验特点以及现有的设备条件,我们应用GSJ高速分幅相机[1～2],采用简单纹影光路摄影方法,调试后实验拍摄取得了好的实验结果。如果在实验中对光源采取某种措施和采用彩色摄影,可提高摄影幅度并获得更好的摄影效果。2实验装置及物理过程2.1实验装置图1是实验装置主体,图2是内爆空腔示意图。本实验装置组成了研究汇聚过程中气-液界面不稳定性及湍流混合发展规律的内爆腔。它的设计原则是:1.安全、密封、便于安装;2.有利于背照明光源的通过与观测。这就要求装置的上下有机玻璃观察窗达到光学抛光效果,而且刻有放置实验靶的刻度线,便于放大倍率的测量。果冻环即实验靶,是高速相机记录观测的收稿日期:2000-02-14;修回日期:2000-04-20基金项目:中国工程物理研究院行业预研基金项目(980106)作者简介:欧阳凯(1970—),男,助理工程师。370爆炸与冲击第20卷目标。它具有一定的强度,可抵抗重力引起的变形,并可按要求作成各种形状,同时果冻和爆轰产物都具有良好的透明性,易于观察界面的扰动情况。果冻的强度和刚度可通过调整明胶的浓度来控制。在图1中,果冻环内直径80mm,外直径110mm。果冻环略高于钢环几十微米。钢环内直径210mm,高度10mm。火花隙位于钢环内表面中间位置,共有36个呈圆形均匀分布。主体装置有两个封闭的空腔,即果冻内环空腔和果冻外环空腔。实验前,果冻内环空腔保持105Pa的空气,果冻外环空腔充满105Pa的爆炸混合气体。图1装置示意图图2内爆空腔示意图Fig.1ExperimentalsetupFig.2Schematicdiagramoftheimplodingcontainment2.2物理过程在爆轰压力的作用下,果冻环的行为与不可压缩流体相似[3]。实验中,采用一种爆炸混合气体作为驱动源,混合气体由乙炔(C2H2)和氧气(O2)组成,混合比例1∶2.5(体积比)。当火花隙在高压脉冲发生器输出的脉冲作用下击穿后,混合气体被点燃并形成一个初始的爆轰波,开始驱动靶环运动。在靶的压缩、反弹过程中将有R-T不稳定现象产生。据文献记载,混合气体爆炸过程约为16μs,压缩负载的速率约为50m/s,压力约为1.35MPa,实验过程持续2ms。要求高速摄影能清晰地反映出果冻环压缩、反弹过程,并尽可能消除混合气体爆轰产生的自发光。3测试方法与光路根据实验特点,选用GSJ高速分幅相机,采用两排分幅透镜,可记录60幅图像。转镜速度为7500r/min,相邻图象时间间隔为16μs。相机控制台触发高压脉冲发生器点燃爆轰气体、高压脉冲氙灯闪光、相机开始同步拍摄实图3纹影透射式光路简图验过程。实验的整体光路由附加Fig.3Diagramofschlierentransmissiontypeopticalsystem光学系统和GSJ相机光学系统组成,附加光学系统为一个简单的纹影透射式光路,光路简图见图3。系统采用氙灯作为背照明光源,为了使背景光均匀、明亮,在氙灯前放置一个平行光透镜,为了消除系统外部杂散光线的干扰,在氙灯上增加两个与相机阶梯光阑相匹配的光源孔阑,与相机阶梯光阑形成共轭关系(比例1∶2)。氙灯