高速摄像机结合纹影技术捕捉超音速激波与马赫环

本实验利用中科君达视界自研的千眼狼高速摄像机（Revealer High-speed camera），在90,000fps帧率下结合纹影法，成功观测了1马赫超音速喷射气流。清晰记录了从喷口清晰的马赫环结构、中部的剪切层湍流混合，到尾部的气流摆动全过程，为航空发动机设计提供了可视化依据。

超音速喷射气流是航空发动机等推进系统的动力来源，发动机喷管喷射处的超音速气流在高速气流场中形成典型的密度梯度结构，如环状激波、马赫环、气流摆动现象等，可表征喷射流场的压强分布及不稳定性，是喷管设计、提升航空发动机推进效率的重要依据。

超音速喷射气流速度极快，气流结构瞬态性强，普通千帧级高速摄像机无法捕捉激波细节。某航空实验室的科研人员，采用中科君达视界自研的万帧级高速摄像机，结合高速摄像技术与纹影法，清晰捕捉到微型气嘴处喷出的超音速气流产生的马赫环和气流摆动现象。

实验采用一直径3 mm的圆形直管作为喷射装置，气源为压缩空气，气流喷射速度为1马赫；核心观测设备采用中科君达视界自研的千眼狼高速摄像机，核心参数1280×1024@15,000fps，实际采集帧率为ROI裁剪画幅后可达90,000fps；纹影光路采用平行光路与刀口滤波，使用透镜成像方式观测激波，由于激波产生的空气纹理变化较为细微，故使用高速摄像机捕捉时，将画面亮度调低以使空气扰动现象更加明显。

根据高速摄像机90,000fps采集帧率捕捉到的序列图像，典型观测现象包括：

I. 喷流前部：清晰多级马赫环结构

高速影像记录显示在直管喷口附近，超音速气流经过膨胀与压缩交替过程后，在喷射初段（约12 mm）呈现轮廓清晰的周期性环状激波，4个稳定的马赫环排列整齐，轴对称度高，边界锐利，明暗对比明显，是纹影法中典型的密度梯度图像。这说明喷射前段处于典型的重复膨胀-压缩循环模式：喷口静压高于环境压力，气体离开喷口立即发生膨胀，气流加速，密度下降，膨胀后的超声速气体在外界压力作用下被重新压缩，形成环状压缩激波即马赫环，膨胀-压缩过程周期性出现，形成前段的激波串结构。

II. 喷流中部：马赫环模糊并产生形变

往喷射流下游，约12~ 27 mm，分布约5个模糊的马赫环，亮度减弱，主要是受射流外缘的高速-低速交界处产生的剪切层影响：喷流与周围环境空气之间的速度梯度极大，形成剪切层，随着距离增加，剪切层厚度逐渐增大，并向喷流中心渗透，剪切层内部发生剧烈的湍流混合，导致喷流内部压力波和密度梯度被稀释。湍流的作用破坏了马赫环结构稳定性，从前序清晰的激波面演化成模糊、离散的、破碎的压缩气流。

III. 喷流尾部：马赫环消散，喷流呈摆动射流

喷射流超过27 mm后，马赫环结构基本已消散，喷流整体呈现横向摆动喷射形态。这主要源自喷流速度下降至音速或亚音速，喷流特性由激波主导转为湍流主导，湍流中形成的上下交替发育的大尺度涡结构，导致喷流轴心发生横向摆动位移。

实验成功利用高速摄影与纹影技术，实现了对微型超音速喷流激波结构的动态观测，清晰捕捉到马赫环结构与喷流尾部摆动现象，表明高速摄像机结合纹影系统是高超音速流动可视化观测实验的有效工具，对推动发动机设计与流动控制技术发展具有积极意义。