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更新时间：2025-10-09
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说明
一、原理与系统组成
它是产生正激波的通用实验设备，其基本原理是：利用一维非定常气体动力学原理，通过高低压段气体之间的膜片破裂，产生运动激波向低压段传播（入射激波）并在低压段端面反射（反射激波），同时稀疏波自破膜处向高压段传播，如图1所示。入射和反射激波可提供不同压力、温度和速度条件的准定常气流，适合研究物理、化学、气体动力学等基础性问题。
图1 原理示意图
在完成夹膜后，左侧的它盲孔、高压段管道、夹膜段和膜片形成了可容纳高压气体的密闭区域，习惯上称这一部分为“高压段"（或者“驱动段"）；夹膜段、膜片、低压段管道、实验段和右侧的它盲孔板形成的密闭区域称之为“低压段"（或者“被驱动段"）。根据它理论中的标记习惯，在形成激波的初始时刻，高压段内的区域被称为“4区"，该区域内压力记为P4；低压段内的区域被称为“1区"，该区域内压力记为P1。1区气体受入射激波压缩后形成2区气体，3区为4区经膨胀波后的气体状态，2区和3区的交界面称为接触面。高压段与低压段的初始压力比记为P41，则有
对于理想激波管，P41决定着激波的马赫数Ms，其数学关系可以描述为
式中，
和
分别为1区和4区内气体的比热容比；a14为1区与4区的声速比，由声速公式
其中，
为通用气体常数，T为气体热力学温度，M为相对分子质量，可以得到
二、主要作用
（一）化学实验
5区为低压端面气流经反射激波再次压缩后的气体状态，具有高温、高压、静止的特点，温度可达2000K以上，可用于开展0维燃烧实验，研究点火延迟时间等基础燃烧特性。由于5区的压力和温度仅取决于马赫数Ms、1区压力P1、1区温度T1，且这3个参数是可调、可测的，所以5区的实验条件是可以高精度控制、调节、预测的，这为开展燃烧实验提供了理想的条件。例如，点火延迟时间是燃气达到点火温度与发生燃烧的时间差，其典型测量结果如图2所示，下面3条线是它上3个压力传感器测得的5区实验段压力跃升，上面1条绿色线记录了燃气的燃烧发光现象，可以看到5区形成高温高压的时间与燃烧发光现象的发生存在时间差，即为点火延迟时间。
图2 点火延迟测量实验结果
（二）气体动力学实验
（1）基于激波的气体动力学实验。入射激波马赫数Ms和反射激波马赫数MR可以通过调节P41和它内气体的种类实现控制，且可以由安装在它上的传感器精确测量，这就为实验提供了理想的一维定常运动正激波。通常条件下，入射激波马赫数Ms可覆盖1至4，反射激波马赫数MR可覆盖1至2。课题组在它内开展了正激波与激光引致的空气泡相互作用过程研究，纹影实验结果如图3所示，图中竖线为正激波，外面圆形为激光等离子体引致的球面激波，中心圆形区域为激光等离子体引致的高温低密度热核。
图3 正激波与激光引致的空气泡相互作用纹影照片
（2）基于高速气流的气体动力学实验。2区为入射激波后的伴随气体，3区为4区经膨胀波后的气体，二者都具有比较高的气流速度。在某些特性情况下，2区和3区的气体可达超声速，3区气流马赫数可超过2，2区和3区的气流可用于气体动力学实验。图4为高速气流通过斜劈时的激光散射实验结果，斜劈安装在它实验段。
图4 高速气流通过斜劈时的激光散射实验结果
（三）驱动激波风洞
5区为低压端面气流经入射和反射激波两次压缩后的气体状态，可以获得1MPa左右压力和1000K左右的温度，在端面连接拉法尔喷管和真空仓（提供必需的低背压），可起动超声速风洞，即激波风洞，常规驱动状态下激波风洞马赫数可达6，实验时间为5ms左右。课题组在激波风洞内开展了马赫5条件下的飞行器外流场激波特性实验，拍摄的纹影照片如图5所示，激波风洞的马赫数由拉法尔喷管决定，更换拉法尔喷管可获得不同的实验马赫数，实验区截面直径超过100mm。
图5 激波风洞及马赫5条件下的飞行器外流场纹影照片
（四）标定光学传感器
根据正激波波前波后关系式，利用传感器测量得到入射激波马赫数Ms和反射激波马赫数MR，结合已知的1区压力和温度，可以精确计算5区压力和温度的理论值，利用此理论值可以标定出光学传感器对压力和温度的相应曲线，也可以在5区预混特定比例的气体用于标定，精度为±5%。此方法被斯坦福大学的Hanson课题组应用，其研究成果在国际上具有代表性，见参考文献：Ronald K. Hanson. Applications of quantitative laser sensors to kinetics, propulsion and practical energy systems. Proceedings of the Combustion Institute 33 (2011) 1–40. 斯坦福大学的实验装置如图6所示，他们在它5区进行了大量的激光吸收光谱实验，标定了光学传感器，并利用激光吸收光谱技术测量燃烧组分。
图6 斯坦福大学的激波管/激光吸收谱测量实验装置
三、实验参数
它实验的气体状态参数主要取决于它驱动方法，实验时间取决于它长度，实验参数调节范围较大。以航天工程大学（如图7所示）为例进行说明，该套建成于2015年，高压段长6米，低压段长6m，实验段长1米，矩形截面，外截面尺寸为180×130 mm，内截面尺寸为100×65 mm。
图7 航天工程大学
该套管采用常规的高压破膜方式驱动，典型实验参数如表1所示，驱动气体为氮气，实验段气体为空气。需要说明的是：
（1）表中参数是理论计算结果，可作为它运行时的参考配置，与实验结果有出入。尤其是正激波马赫数和5区压力，是它实验中至关重要的基本参数，应以实验中压力传感器的监测结果为准。
（2）表中实验时间为保守估计，预计实验时间大于表1值。
（3）氦气具有更强的驱动能力，同样的P41条件下，高压段采用氦气将获得更高的激波马赫数和5区压力与温度。
（4）能量守恒决定了5区压力和温度是一组矛盾，在常规驱动条件下，难以同时获得高的5区压力和温度。例如：如果需要2000K以上的5区温度，则需要对1区预先抽真空，降低P1，但这也同时导致了P5的降低。
表1 典型实验参数
编号 | 高压段/Pa | 低压段/Pa | 入射激波 马赫数 | 5区压力/Pa | 5区温度/K | 实验时间/ms |
氮气驱动空气 | ||||||
1 | 106 | 105 | 1.6 | 7.0´105 | 533 | 5.5 |
2 | 106 | 104 | 2.4 | 2.6´105 | 951 | 2.0 |
3 | 5´105 | 5000 | 2.4 | 1.3´105 | 951 | 2.0 |
4 | 105 | 500 | 2.6 | 1.8´104 | 1111 | 1.7 |
氦气驱动空气 | ||||||
1 | 106 | 105 | 2.0 | 1.5´106 | 730 | 5.4 |
2 | 106 | 5000 | 4.1 | 5.9´105 | 2394 | 0.9 |
3 | 105 | 1000 | 2.0 | 1.5´105 | 730 | 5.4 |
四、测量方法
（1）入射激波马赫数Ms测量
入射激波马赫数Ms是确定实验参数的直接因素，是实验的最基本参数，必须精确测量。其测量方法是：在低压端安装相距一定距离的2个或多个PCB压电传感器以监测入射和反射激波速度，同时可为时序同步控制系统提供触发信号。为避免PCB传感器压力测量受到体耦合电磁信号的影响，将PCB传感器装在尼龙护套中，既保护了PCB传感器，又避免了压力受到杂波干扰，如图8所示。当激波到达传感器位置时，示波器便会记录到一个上升沿。图9为实验中TDS3032B示波器记录得到的典型压力信号，其中两条线分别来自两个通道，代表两个位置的传感器信号，它们的第一个上升沿由入射激波引起，第二个上升沿代表着反射激波到达传感器位置。由二者上升沿之间的时间差和两个传感器间距，便可得到入射激波和反射激波的速度，而后计算得到马赫数。
（2）光学测量
光学测量具有非侵入、响应快、全场观测等优点，是*测量技术的主要发展方向。应用于它和激波风洞的光学测量方法主要包括纹影、PIV、TDLAS、PLIF等，在实际应用中，它们各自都存在一些关键技术问题需要解决，本课题组在光学测量方向上也有所尝试，发表了相关论文，在此不再赘述。
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