顾金良，赵构,罗红娥，夏言

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

膛口流场可视化测试技术*

顾金良，赵构,罗红娥，夏言

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

为了得到清晰膛口流场分布照片，提出了一种新的数字式CCD阴影照相系统，该系统主要由高像素CCD相机、窄脉冲激光光源和时序控制器组成。当系统收到启动信号后，通过时序控制器控制相机和激光光源按照设置好的时序触发并完成拍摄，将膛口流场照片保存到时序控制器中。利用此系统进行膛口流场成像实验，实验设备布置方便，拍摄的膛口流场照片分辨率高且可即时获得，为数值计算及相关武器研究提供直接的实验对照和参考。高像素CCD阴影照相系统是强有力的膛口流场可视化测试手段。

膛口流场，高像素CCD相机，窄脉冲激光光源，时序控制器

0 引言

弹丸出膛口后，弹丸不断压缩弹前空气柱，并在弹前形成向前移动的冲击波。冲击波对弹丸运动产生阻力，并且冲击波和射流存在激烈的相互作用。弹丸穿越膛口流场时获得了一定增速和初始扰动，产生翻转力矩使得弹丸攻角增大，影响弹丸的飞行稳定性，从而使弹丸命中精度下降；同时膛口流场是非定常、多相、湍流，并有方向性和化学反应的复杂流场［1］，伴随冲击波射流产生的有害扰动如强激波、冲击波、膛口焰对射手、光学仪器和周围建筑有巨大损伤。通过可视化测试手段拍摄不同时刻膛口流场分布图像，对研究膛口流场的生成和发展过程、减小膛口冲击波危害有着重要的意义。

为了建立完善膛口流场理论，国内外进行了大量实验，一种是利用商用软件进行数值仿真［2-6］；而另一种则是进行膛口流场成像实验［8-9］，获得实际的膛口流场照片，其实验方法主要有阴影法、纹影法和干涉法。许多兵器学者进行了大量的膛口流场成像实验，并取得了很多成就，但由于当时技术的限制，使用胶片进行成像，使得实验数字化程度不够，实验流程复杂，得到照片的测试周期较长。针对上述问题，建立了一套数字式阴影照相系统［10］用于膛口流场成像实验，所得膛口流场图像清晰，并且实验过程简单易行，实验周期短，图像数据处理方便。

图1 系统示意图

1 系统组成

膛口流场CCD阴影照相系统的组成如图1所示，由高像素CCD相机、时序控制器、532 nm窄脉冲激光光源及漫反射屏等组成。多台CCD相机沿弹道方向布置，漫反射屏竖直放置CCD相机和光源正前方，通过时序设置，能够拍摄到不同时刻的膛口流场图像。在拍摄时通过时序控制器中的相机控制软件设置好相机的快门时间、曝光时间以及激光器的闪光时间，并将CCD相机的视场调好。由发射产生的信号给时序控制系统一个启动信号，时序卡开始计时，按照预先设置好的时序触发激光器和CCD相机，时序设置时必须保证激光器闪光时CCD相机正处于曝光状态，才能成功拍摄，捕捉到膛口流场照片后上传到时序控制器，并记录下拍摄时间。

系统所用CCD相机像素为2 900万，曝光时间为7μs。由于炮口火焰强度高，曝光时间过长会导致所拍摄照片饱和，因此，为了减小火焰干扰，实验需使用CCD相机的最小曝光时间，这就要求光源强度足够高，因而系统采用的是窄脉冲激光光源，激光脉冲半峰宽小于20 ns；为了进一步滤去杂光，将一个532 nm窄带滤光镜片覆盖在相机镜头前，这样能使激光尽量透过而滤除大部分炮口焰杂光，将膛口火焰干扰降到最低。

2 试验及分析

利用上述数字式阴影照相系统，对7.62 mm口径枪进行了膛口流场成像实验，图2～图4为不同时刻膛口主流场分布图像。

从实验图片上可以清楚看到膛口主流场变化，火药燃气射流已基本扫过了初始流场，并在空气中形成了近似球形的冲击波。火药燃气射流向前冠状突起，并有相应的冠状冲击波。图2为弹丸运动到湍流气团时的流场图像，在膛口冲击波前有两道初始冲击波，此时瓶状激波系已基本形成，火药燃气射流中出现相交激波，但是由于火药燃烧不充分，有大量的火药颗粒喷出，无法观测到弹丸和瓶状激波系的结构；图3中可以看到弹丸即将穿过火药燃气射流边界，向膛口冲击波运动，而膛口冲击波已经超过第二道初始冲击波。弹丸对射流的限制减弱，在图中隐约可以看见相交激波；图4中弹丸完全穿过火药燃气到达膛口冲击波，此时膛口冲击波也即将超越第一道初始冲击波，弹丸穿过冠状波时，弹头出现清晰的斜激波，马赫盘基本形成，在图中可以看到马赫盘和相交激波。

图2 弹丸在湍流气球中时的流场

图3 弹丸穿过射流时的流场

图4 弹丸超越膛口冲击波时流场

膛口主流场具有高度的瞬变性、强烈的方向性，并且波系结构复杂。实验所拍摄的7.62 mm枪膛口流场照片初始冲击波、膛口冲击波和射流边界清晰，根据时序控制器记录下每次拍摄的时间，可以计算出马赫盘形成和弹丸穿越主流场进入自由空气所需的时间。

3 结束语

通过数字式CCD阴影照相系统进行膛口流场成像实验，可以清楚观测到不同时刻弹丸位置、姿态以及膛口流场分布情况，解决了以前实验过程复杂、数据处理不方便等问题，大大缩短了测试周期，为膛口流场的数值研究提供可参照的实验对比。并且将高像素CCD相机引入膛口流场成像实验，为流场成像提供了一种新的思路。

［1］尤国钊，许厚谦，杨启仁.中间弹道学［M］.北京：国防工业出版社，2003.

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［3］张辉，谭俊杰，崔东明.带膛口装置的流场数值模拟［J］.火炮发射及控制学报,2007，（2）：48-51.

［4］乐贵高，马大为，冯勇，等.C某火炮膛口流场数值仿真［J］.兵工学报，2004,25(1)：19-22.

［5］钱吉胜，张焕好，陈志华.膛口装置附近流场的数值模拟［J］.四川兵工学报，2010，31（12）：107-110.

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［8］姜孝海，范宝春，叶经方.泄爆外流场的可视化［J］.爆炸与冲击，2005，25（1）：5-10.

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［11］钱吉胜，韩臖礼，张焕好，等.膛口装置附近流畅的数值模拟［J］.四川兵工学报，2010，29（12）：107-110.

Research on Visual Testing Technology of Muzzle Flow Field

GU Jin-liang，ZHAO Gou，LUO Hong-e，XIA Yan
（National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing 210094,China）

A digital CCD shadowgraph system has been established to achieve clear muzzle flow field imaging distribution，the system consists of high-resolution CCD camera、narrow pulse width laser and time schedule controller.When activating signals is received，camera and laser light are triggered as been settled through the time schedule controller,then finished shooting,these photographs are stored in the time schedule controller.Performing visual experiment of muzzle flow field by using this system,it is convenient to prepare the experimental facilities，the taken photos can be obtained timely with high resolution,provides and reference for the verification of numerical results and related researches on weapons.The digital CCD shadowgraph system are powerful means of visual testing of muzzle flow field.

muzzle flow field，high-resolution CCD camera，narrow pulse width laser，time schedule controller

TJ012.2

A

1002-0640（2015）12-0171-02

2014-11-15

2015-01-17

军队“十二五”预研基金资助项目

顾金良（1963-），男，江苏张家港人，副研究员。研究方向：瞬态，物理测试技术。