本實驗利用中科君達視界自研的千眼狼高速攝像機（Revealer High-speed camera），在90,000fps幀率下結合紋影法，成功觀測了1馬赫超音速噴射氣流。清晰記錄了從噴口清晰的馬赫環結構、中部的剪切層湍流混合，到尾部的氣流擺動全過程，為航空發動機設計提供了可視化依據。
超音速噴射氣流是航空發動機等推進系統的動力來源，發動機噴管噴射處的超音速氣流在高速氣流場中形成典型的密度梯度結構，如環狀激波、馬赫環、氣流擺動現象等，可表征噴射流場的壓強分布及不穩定性，是噴管設計、提升航空發動機推進效率的重要依據。
超音速噴射氣流速度極快，氣流結構瞬態性強，普通千幀級高速攝像機無法捕捉激波細節。某航空實驗室的科研人員，采用中科君達視界自研的萬幀級高速攝像機，結合高速攝像技術與紋影法，清晰捕捉到微型氣嘴處噴出的超音速氣流產生的馬赫環和氣流擺動現象。
實驗采用一直徑3 mm的圓形直管作為噴射裝置，氣源為壓縮空氣，氣流噴射速度為1馬赫；核心觀測設備采用中科君達視界自研的千眼狼高速攝像機，核心參數1280×1024@15,000fps，實際采集幀率為ROI裁剪畫幅后可達90,000fps；紋影光路采用平行光路與刀口濾波，使用透鏡成像方式觀測激波，由于激波產生的空氣紋理變化較為細微，故使用高速攝像機捕捉時，將畫面亮度調低以使空氣擾動現象更加明顯。
根據高速攝像機90,000fps采集幀率捕捉到的序列圖像，典型觀測現象包括：
I. 噴流前部：清晰多級馬赫環結構
高速影像記錄顯示在直管噴口附近，超音速氣流經過膨脹與壓縮交替過程后，在噴射初段（約12 mm）呈現輪廓清晰的周期性環狀激波，4個穩定的馬赫環排列整齊，軸對稱度高，邊界銳利，明暗對比明顯，是紋影法中典型的密度梯度圖像。這說明噴射前段處于典型的重復膨脹-壓縮循環模式：噴口靜壓高于環境壓力，氣體離開噴口立即發生膨脹，氣流加速，密度下降，膨脹后的超聲速氣體在外界壓力作用下被重新壓縮，形成環狀壓縮激波即馬赫環，膨脹-壓縮過程周期性出現，形成前段的激波串結構。
II. 噴流中部：馬赫環模糊并產生形變
往噴射流下游，約12~ 27 mm，分布約5個模糊的馬赫環，亮度減弱，主要是受射流外緣的高速-低速交界處產生的剪切層影響：噴流與周圍環境空氣之間的速度梯度極大，形成剪切層，隨著距離增加，剪切層厚度逐漸增大，并向噴流中心滲透，剪切層內部發生劇烈的湍流混合，導致噴流內部壓力波和密度梯度被稀釋。湍流的作用破壞了馬赫環結構穩定性，從前序清晰的激波面演化成模糊、離散的、破碎的壓縮氣流。
III. 噴流尾部：馬赫環消散，噴流呈擺動射流
噴射流超過27 mm后，馬赫環結構基本已消散，噴流整體呈現橫向擺動噴射形態。這主要源自噴流速度下降至音速或亞音速，噴流特性由激波主導轉為湍流主導，湍流中形成的上下交替發育的大尺度渦結構，導致噴流軸心發生橫向擺動位移。
實驗成功利用高速攝影與紋影技術，實現了對微型超音速噴流激波結構的動態觀測，清晰捕捉到馬赫環結構與噴流尾部擺動現象，表明高速攝像機結合紋影系統是高超音速流動可視化觀測實驗的有效工具，對推動發動機設計與流動控制技術發展具有積極意義。
轉自：千龍網
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