题目：超声速流场测试技术研究

随着工程应用需求的提高，空气动力学无论在内流或外流领域，对高超音速下非定常流动现象实验研究愈发迫切。由于探针、热线等方法严重干扰流场，PIV示踪粒子在高超音速下跟随性问题，含激波的超音流场可靠测量手段比较少，因此我们需要使用新的非接触式测量技术来解决该问题。聚焦纹影技术即是一种比较简便可行的方法。该技术由纹影技术演化改进而来，是一种非接触式光学流动显示技术，能够更为精确地检测流场的密度信息。近年来其基础理论不断完善，加上超音流场的测试需求，该技术因成本较为低廉，能够获得较大视场等诸多优点，逐渐在实验流体力学领域引起人们的重视。

聚焦纹影技术因其层析流场的特点，有实现定量测量的基础。本文在前人理论基础上，对聚焦纹影技术原理进行了重新梳理，明确了该技术必须满足的限制条件。然后基于该技术原理，尝试使用一种基于参数、公式推导类型分析，追求各性能参数平衡的聚焦纹影系统设计思路，并根据该思路进行了若干设计实验，通过对比初步探索系统的设计规律。结果表明，流场处于纹影镜和源格栅之间的37%间距时，各性能参数例如灵敏度、分辨率、聚焦深度、视场大小、放大率等，能够取得比较平衡的效果，可以选为定量测试的优化设计点。另外，对于同一只纹影镜头，可以通过替换不同格栅的办法实现不同灵敏度的测量。

针对实验室超音风洞，本文设计了一套聚焦纹影测试系统。搭建系统过程中，关键考虑因素包括：设计尺寸链的校核，优化光学元件的选取制备，自由度调节部件的选取。其中尝试使用单向玻璃，以同时实现图像的采集和流动过程的视频录制。另外，提出了若干光栅加工制作的方法，并进行了对比。

实验部分，本文首先明确了聚焦纹影系统的调试方法，对已有光学元件进行必要的使用校准。通过蜡烛实验，对本系统有效性进行了初步检验，实验发现系统性能基本上达到了设计预期。蜡烛实验录像中可以观察到，由燃烧引起的密度梯度波动清晰可见。另外屏幕上直接成像效果要好于菲涅耳延迟技术采集效果，这是由于菲涅耳透镜的像差、色差因素引起的。超音场圆锥尖劈实验中，实验采集了若干组照片，发现在试验件表面波结构清晰可见。最后，我们分析了流场中各因素可能对图像的干扰，并提出了若干修正建议。对本文所采集图像进行了必要处理，为定量分析打下基础。