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基于相干反斯托克斯拉曼散射的等离子体流场热力学非平衡特性表征方法研究OA

Characterization of thermodynamic non-equilibrium of plasma flow using coherent anti-Stokes Raman scattering

中文摘要英文摘要

温度是流体最基本的参数之一,其测量精度直接影响到高超声速飞行器气动力、气动热及热防护等性能的预测准确性.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS)技术的基本原理,开发了面向非平衡流场的 CARS光谱计算及振转温度反演算法,并在1 000~2 300 K的静态环境下对其准确性进行了实验验证.搭建了基于微波等离子体的非平衡流场实验装置,获取了不同压强、气体流量及组分下等离子体流场的振动、转动温度信息.结果显示,在实验条件范围内:振动温度随压强的增大而降低,随 N2 体积流量和 Ar体积分数的增大均呈现先增大后降低的趋势;转动温度随压强的增大而降低,随 N2 体积流量的增大呈现先增大后降低的趋势,随 Ar体积分数的增大而增大;非平衡度随压强的增大而增大(但变化率随压强的增大而减小),随 N2 体积流量的增大呈现先降低后增大的趋势,随 Ar体积分数的增大而降低.

Temperature is considered to be one of the most concerned parameters to quantitatively describe flow characteristics,of which the measurement accuracy directly affects the prediction of aerodynamic,aerothermal and thermal protection performance of hypersonic vehicles.Based on the principles of Coherent Anti-Stokes Raman Scattering(CARS),a CARS spectral computation and vib-rotational temperature inversion program is proposed for characterizing the thermodynamic non-equilibrium properties of the high-temperature gas flow field.And corresponding accuracy from 1 000 K to 2 300 K is verified in a static environment.A non-equilibrium microwave plasma flow is built and its vibrational temperature and rotational temperature with different pressures,N2 volumetric flow rate,and compositions are obtained by using the developed program.The results show that within the range of experimental conditions,with pressure increasing,the vibrational temperature and rotational temperature decrease,while the thermodynamic non-equilibrium degree increases but corresponding increase rate decreases.With N2 volumetric flow rate increasing,the vibrational temperature and rotational temperature first increase and then decrease,while the thermodynamic non-equilibrium degree exhibits an opposite trend.With Ar volume fraction increasing,the vibrational temperature first increases and then decreases,and the rotational temperature increases,while the thermodynamic non-equilibrium degree decreases.

杨文斌;张华磊;齐新华;车庆丰;周江宁;白冰;陈爽;母金河

中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000||空军航空大学,长春 130012中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000||黑龙江工程学院 光电子及激光技术重点实验室,哈尔滨 150001中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所,绵阳 621000

数理科学

相干反斯托克斯拉曼散射热力学非平衡等离子体流场振动温度转动温度

coherent anti-Stokes Raman scatteringthermodynamic non-equilibriumplasma flowvibrational temperaturerotational temperature

《实验流体力学》 2026 (3)

79-87,9

国家自然科学基金项目(12202478)

10.11729/syltlx20240048

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