[论文解读] Megahertz Schlieren Imaging of Shock Structure and Sound Waves in Under-Expanded, Impinging Jets

Christian Willert, Daniel Edgington-Mitchell+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2010

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 6被引用 3

一句话总结

本研究采用脉冲高功率LED光源，实现了对膨胀不足、撞击平板的射流在兆赫兹速率下的肖洛林成像，实现了高达1 MHz帧率的时间分辨成像，可捕捉激波结构与声波。该方法揭示了在低压力比（2.0–2.5）下存在螺旋形射流不稳定性，较高压力比（3.0–5.0）下形成马赫盘，以及与射流结构相关的非对称声辐射；与氙灯闪光或激光相比，成像质量更优且重复性更佳。

ABSTRACT

The accompanying fluid dynamics videos visualize the temporal evolution of shock structures and sound waves in and around an under-expanded jet that is impinging on a rigid surface at varying pressure ratios. The recordings were obtained at frame rates of 500 kHz to 1 Mhz using a novel pulsed illumination source based on a high power light emitting diode (LED) which is operated in pulsed current mode synchronized to the camera frame rate.

研究动机与目标

• 实现对膨胀不足、撞击平板的射流中非定常激波特性和声波的高速、时间分辨可视化。
• 通过开发高重复率、稳定且无散斑的光源，克服传统氙灯闪光或激光照明在肖洛林成像中的局限性。
• 研究喷管压力比（2.0–5.0）对撞击流中射流结构、激波特性和声波辐射的影响。
• 比较脉冲高功率LED与传统光源在图像质量、重复性和时间分辨率方面的性能表现。
• 分析射流不稳定性模态（如螺旋运动）与撞击超音速射流中非对称声辐射之间的关系。

提出的方法

• 采用高功率脉冲LED（Luminus Phlatlight CBT-120，绿色），在高达120 A的电流下以突发模式工作，脉冲宽度500 ns，上升时间200 ns，有效光脉冲持续时间约300 ns。
• 将LED脉冲序列与高速相机（Shimadzu HPV-1，312×260像素）同步，帧率范围为500 kHz至1 MHz，实现同步闪光成像。
• 采用传统肖洛林光学系统，仅使用单面反射镜与刀口，利用近乎单色的绿色光照明，以减少散斑并提高对比度。
• 通过从每帧图像中减去平均图像实现对比度增强，以抑制静态特征（如镜面瑕疵）并突出非定常流场结构。
• 在固定平板距离（x/D = 4）和喷管直径D = 5 mm的条件下，采集了四组序列，对应喷管压力比分别为2.0、2.5、3.0和5.0。
• 生成伪彩色、对比度增强的可视化图像，以提升特征可见性，同时保持时间保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在喷管压力比2.0至5.0范围内，膨胀不足射流撞击平板时，激波特性和非定常不稳定性如何演化？
• RQ2 射流螺旋不稳定性在撞击过程中如何导致非对称声辐射？
• RQ3 与氙灯闪光或激光光源相比，脉冲高功率LED在肖洛林成像中的图像质量、时间分辨率和散斑抑制方面表现如何？
• RQ4 马赫盘在何种压力比下变得显著？其形成如何影响下游湍流与声波传播？
• RQ5 射流结构的对称性（如螺旋形与轴对称）如何影响辐射声波的指向性与强度？

主要发现

• 在喷管压力比2.0和2.5时，靠近喷管出口的弱激波表现出旋转运动，表明射流核心存在螺旋不稳定性模态。
• 在所有压力比下，射流边界层的剪切层不稳定性均清晰可见，且在较高压力比（3.0和5.0）下剪切层弯曲程度逐渐增强。
• 当压力比≥3.0时，马赫盘在射流核心形成，其激波位置与间距随压力比增加而增大，且在这些较高压力比下未观察到旋转运动。
• 在马赫盘边缘形成滑移线，产生内部剪切层，并显著增强下游区域的湍流强度。
• 在压力比2.0和2.5时，声波呈非对称辐射，与螺旋形射流结构及对平板的非对称撞击相关。
• 在较高压力比（3.0和5.0）时，声辐射模式趋于对称，与更稳定、轴对称的射流结构及马赫盘形成一致。