在結(jié)冰環(huán)境下高速特寫(xiě)鏡頭成像概述

1、在結(jié)冰環(huán)境下高速特寫(xiě)鏡頭成像的概述迪安米勒美國(guó)宇航局格倫研究中心克利夫蘭，俄亥俄州克里斯托弗J. Lynch彼得A.泰特indyne，Inc.克利夫蘭，俄亥俄州摘要在美國(guó)宇航局格倫研究中心的冰凍部門(mén)和成像技術(shù)中心，最近參與了幾個(gè)項(xiàng)目，其中包括被用來(lái)研究水液滴沖擊/飛濺的高速特寫(xiě)成像技術(shù)，和在結(jié)冰風(fēng)洞的冰粒子沖擊/反彈。特寫(xiě)鏡頭與高速成像能力相結(jié)合，是因?yàn)楸谎芯渴潜容^小的顆粒（直徑d小于1毫米），而且影響的過(guò)程發(fā)生在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)（影響時(shí)間1秒）。高速的特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)是用來(lái)研究在模擬液滴沖擊和飛濺的動(dòng)力學(xué)（SLD）結(jié)冰條件。本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)一個(gè)超高速攝像機(jī)系統(tǒng)的性能，獲得了沖擊過(guò)程的定量信

2、息（如液滴的大小，速度）。成像數(shù)據(jù)從噴霧云MVD50米的冰風(fēng)洞獲得。高速的特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)也被用來(lái)描述冰粒子在熱保護(hù)前緣的翼型的影響。本次調(diào)查的目的是確定在受影響之后冰顆粒是否傾向于“插入”或“反彈”。成像數(shù)據(jù)得到了在翼型表面加熱和未加熱的例子。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)研究冰粒子在傳感元件的含水率，測(cè)量裝置的影響。本文將描述成像系統(tǒng)來(lái)支持這些實(shí)驗(yàn)研究使用，提出了一些有代表性的結(jié)果，并總結(jié)了這些系統(tǒng)在覆冰環(huán)境下使用情況。命名d.水液滴直徑（m）FOV .視場(chǎng)角K飛濺的閾值參數(shù)（無(wú)量綱）IPS 防冰系統(tǒng)LWC液態(tài)水含量（克/立方米）MVD平均體積直徑（米）SLD過(guò)冷大液滴Ttotal總溫度TWC

3、總水含量（克/立方米）V.速度（米/秒）導(dǎo)言 高速的特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)使用對(duì)于結(jié)冰不是一個(gè)新概念。奧爾森以前的使用方法可以觀察積冰的初始階段。Reehorst使用特寫(xiě)鏡頭成像研究冰羽在自然和模擬覆冰環(huán)境下的生長(zhǎng)速度。最近，在美國(guó)宇航局格倫研究中心的結(jié)冰部門(mén)和成像技術(shù)中心已經(jīng)參與需要高速特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)的項(xiàng)目。這讓成像系統(tǒng)和方法的開(kāi)發(fā)和測(cè)評(píng)提供了視覺(jué)數(shù)據(jù)，也是與其他實(shí)驗(yàn)測(cè)量的互補(bǔ)。本報(bào)告的目的是提供以下這些領(lǐng)域的成像系統(tǒng)和方法使用發(fā)展概述：（1）大液滴沖擊和飛濺的特性，（2）冰粒子在熱保護(hù)表面的沖擊，和（3）冰粒子在熱絲含水率傳感器的沖擊。每個(gè)領(lǐng)域，將首先提供相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)短的聲明。然后，對(duì)

4、實(shí)驗(yàn)調(diào)查和成像系統(tǒng)進(jìn)行討論，再介紹有代表性的成像結(jié)果。本報(bào)告將總結(jié)在覆冰環(huán)境下高速特寫(xiě)鏡頭的成像開(kāi)發(fā)與使用的一般性討論。討論結(jié)果大液滴沖擊和飛濺 水液滴沖擊的調(diào)查已經(jīng)被開(kāi)發(fā)改進(jìn)的冰情預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)程序的渴望所推動(dòng)，這可以用來(lái)說(shuō)明過(guò)冷大液滴（SLD）的飛濺。眾所周知，相比比小水滴，大的水滴都傾向于飛濺而不是沖擊。Mundo等人提出了一個(gè)無(wú)量綱的與觀察液滴飛濺相關(guān)的飛濺參數(shù)（K因子）。他們已經(jīng)定義了一個(gè)飛濺的臨界值，飛濺預(yù)計(jì)發(fā)生在K值57的時(shí)候。與大液滴飛濺相關(guān)的潛在質(zhì)量損失對(duì)覆冰過(guò)程有影響。有可能表面飛濺的產(chǎn)物被氣流從表面沖走了（造成質(zhì)量損失），或者他們?cè)僮矒舻奖砻嫔希ㄒ鹳|(zhì)量的重新分布）另一個(gè)位

5、置。這些效應(yīng)會(huì)對(duì)積冰結(jié)果造成潛在影響。 考慮到當(dāng)前的重點(diǎn)，升級(jí)現(xiàn)有的結(jié)冰預(yù)測(cè)編碼能力，包括過(guò)冷大液滴結(jié)冰條件（過(guò)冷大液滴直徑50m），將飛濺的影響納入到使用這些代碼的覆冰物理模型中去時(shí)很有必要的。這種改進(jìn)的能力將升級(jí)結(jié)冰預(yù)測(cè)代碼，從而支持SLD冰認(rèn)證活動(dòng)。 飛濺過(guò)程的動(dòng)力學(xué)（傳入和飛濺的液滴的大小，速度，角度，和質(zhì)量損失）將需要進(jìn)行量化，以便于這些升級(jí)積冰模型的開(kāi)發(fā)。高速特寫(xiě)成像鏡頭技術(shù)將在獲取信息和理解飛濺過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 高速特寫(xiě)鏡頭成像方法需要觀察液滴飛濺特性，這2002在先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)（ACT）結(jié)冰風(fēng)洞進(jìn)行了初步研究。這個(gè)測(cè)試是由美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）主辦，由美國(guó)宇航局格倫

6、研究中心和奎奈蒂克（英國(guó)國(guó)防科技公司）參與進(jìn)行。 本試驗(yàn)的目的是研究在具有大的液滴（液滴直徑50m）噴霧最佳環(huán)境中，超高速特寫(xiě)成像技術(shù)的能力并回答下列問(wèn)題：（1）能否捕捉噴霧環(huán)境液滴撞擊過(guò)程，和（2）是否可能定量分析噴霧環(huán)境液滴沖擊過(guò)程的動(dòng)力學(xué)（即在他接近時(shí)追蹤/描述單個(gè)液滴沖擊，然后跟蹤/描述飛濺的液滴，）。測(cè)試：這個(gè)測(cè)試是在具有7英寸（17.8厘米）寬12英寸（30.5厘米）高的小的ACT結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)行的。這座風(fēng)洞是用來(lái)做這種探索性測(cè)試的，試驗(yàn)段提供了的良好的視覺(jué)通路。我們能夠在測(cè)試文章的吸引點(diǎn)上獲得6英寸（15.2厘米）的高速攝像系統(tǒng)鏡頭。兩個(gè)測(cè)試的文章進(jìn)行試驗(yàn)：一個(gè)2.5英寸（6.

7、35厘米）的對(duì)稱(chēng)翼型的弦和半圓筒，如圖1所示。 圖1：用于飛濺可視化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)物品這種小翼型更多地用于描繪直接的液滴沖擊，相對(duì)于沖擊面在75和90度。而半圓形的則為15度，因?yàn)闆_擊更小。大多數(shù)的測(cè)試點(diǎn)用翼型模型獲得，所以，從此刻起，討論集中在這個(gè)模型上。翼型模型水平安裝在試驗(yàn)段，進(jìn)行液滴沖擊的可視化研究。模型的前邊緣的部分（10毫米的重要部分）被削弱了，以便于液滴沖擊過(guò)程成像。圖2顯示了試驗(yàn)段翼型測(cè)試條安裝的特寫(xiě)鏡頭。 圖2：鈍的翼型測(cè)試條安裝在712英寸的ACT結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段成像系統(tǒng)：Ultra-8高速成像系統(tǒng)(如圖3所示)是用來(lái)記錄液滴沖擊的過(guò)程，8張圖一個(gè)系列。圖3：Ultra-8高速成

8、像系統(tǒng)這款相機(jī)系統(tǒng)先前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其在高速?gòu)椀姥芯款I(lǐng)域的應(yīng)用,下面列出它的功能門(mén)控的高分辨率圖像增強(qiáng)高速數(shù)碼相機(jī)獲得8張520520分辨率的圖像在像素大小為14微米14微米編程曝光和幀間的時(shí)間范圍從10納秒到1毫秒幀率500到1億幀/秒軟件功能：計(jì)算距離，速度，和角對(duì)比調(diào)整存儲(chǔ)圖像創(chuàng)造單個(gè)圖像的強(qiáng)度分布除了Ultra-8高速成像系統(tǒng)、高清攝像機(jī)也被用來(lái)記錄噴霧條件的一般特征，在翼型前緣附近取得了高速的特寫(xiě)圖像。圖4和圖5顯示了成像系統(tǒng)對(duì)測(cè)試條和隧道氣流方向的總體設(shè)置。 圖4：ACT結(jié)冰風(fēng)洞成像設(shè)置俯視圖 圖5：ACT結(jié)冰風(fēng)洞成像設(shè)置側(cè)視測(cè)試過(guò)程：超高速攝像機(jī)系統(tǒng)是用于獲得液滴飛濺的特寫(xiě)圖像，下面列

9、出條件： 速度(25、50、75mps) 減少大小MVD(100 to 200 um)LWC(.3 to .7 g/m3)T總（2C -20C）相對(duì)于表面的沖擊角（15，75，90度）這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在冰點(diǎn)以上的風(fēng)洞溫度下進(jìn)行的。這樣做是為了避免與過(guò)冷云滴噴霧相關(guān)的問(wèn)題，因?yàn)閲娮炀嚯x試驗(yàn)段上游只有1.6米。成像問(wèn)題：這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究面臨許多問(wèn)題。正如你所預(yù)料的那樣,在這個(gè)課題是最重要的問(wèn)題是足夠的光。這是由于這樣的事實(shí),液滴的沖擊和飛濺的特征記錄需要非常高的幀速率(45000 - 60000幀/秒)和很短的曝光時(shí)間(35 ns)。相機(jī)位置要盡可能接近風(fēng)洞側(cè)窗，以減小所需的放大率。這產(chǎn)生了一個(gè)約5.5英寸

10、(0.14米)的有效相隔距離，是在鏡頭前面的元素和測(cè)試條上的成像目標(biāo)區(qū)域之間。因?yàn)槌上袷窃趪婌F環(huán)境中,云霧本身產(chǎn)生了一個(gè)非常高水平的反射光(噪音),這是不可取的。為了減輕這種情況，一個(gè)強(qiáng)大的電子頻閃（6400瓦特-秒）和一個(gè)菲涅耳透鏡（254毫米焦距）被用來(lái)在測(cè)試條的成像目標(biāo)區(qū)域上集中光線(xiàn)。這種方法創(chuàng)建了一個(gè)很強(qiáng)烈的點(diǎn)光源照亮飛濺，實(shí)際上增加了光信號(hào)信噪比。我們還發(fā)現(xiàn)，定向閃光裝置在相對(duì)于影響面15度可以提高光照水平觀察飛濺情況（圖4）。另一個(gè)在測(cè)試過(guò)程中遇到的重要問(wèn)題是水液滴在水滴在試驗(yàn)段側(cè)視窗的堆積。這種水滴的堆積導(dǎo)致目標(biāo)地區(qū)成像不夠清晰，而區(qū)域是在水平安裝測(cè)試條的翼展方向的中心線(xiàn)上。楔形

11、分流器（圖2）是用以防止水噴霧撞擊側(cè)窗的。它幫助很大，但沒(méi)有完全解決這個(gè)問(wèn)題。不幸的是，直到測(cè)試結(jié)束，還沒(méi)有比分流的構(gòu)思更好的解決方案。這涉及到在試驗(yàn)段的側(cè)窗鉆一個(gè)洞然后把照相機(jī)的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)該孔。成像結(jié)果：大水滴撞擊圖像，是用超高速攝像系統(tǒng)拍攝的。一連串的六個(gè)連續(xù)圖像如圖6所示。該系列展現(xiàn)了這個(gè)方法，并最終影響了鈍頭翼型測(cè)試條的表面。很顯然，在這個(gè)圖像系列中，背景噪聲水平比較高。正是這個(gè)一個(gè)因素，限制了我們的定義飛濺細(xì)微特征的能力。這樣的背景噪聲被認(rèn)為是由水滴的散射光和ultra-8圖像增強(qiáng)器造成的。對(duì)于在這個(gè)測(cè)試中采用的光學(xué)設(shè)置，最小可分辨的液滴直徑被確定為100m。（6a） （6b） (6c

12、)(6d) (6e) (6f)圖6：540m直徑的液滴沖擊和飛濺的超高速圖像系列,（V=50m/s T總 =17C, LWC= 1.35 g/m, FOV = 3.7mm , Exposure=35ns, Frame Rate = 50000 frames/sec, Gain = 3） 粒子碰撞被捕獲，但飛濺噴出物的細(xì)節(jié)是不可分辨的。關(guān)于前、后飛濺液滴的大小、速度和軌跡的信息，必須促進(jìn)結(jié)冰預(yù)測(cè)的水滴飛濺模型的開(kāi)發(fā)。令人滿(mǎn)意的是，有足夠的分辨率，可以觀察單個(gè)粒子的跟蹤，以確定噴出物是否重新撞擊或通被氣流沖走。用粒子跟蹤軟件“后處理”單個(gè)圖像可以提供一個(gè)選項(xiàng)，即噪聲比對(duì)于光信號(hào)可以通過(guò)減少圖像中的

13、背景噪聲加以改進(jìn)。量化輸入的液滴直徑和速度，這是可以的，同樣，飛濺的高度也可以使用計(jì)算功得到，這都源于ultra-8攝像系統(tǒng)。對(duì)于上面所示的系列圖像，接下來(lái)測(cè)量了： 液滴直徑= 540m 速度為35.29m/s飛濺高度= 960m測(cè)得的液滴速度和風(fēng)洞速度之間的差異表明，在噴桿的位置和測(cè)試條之間1.6米的較短距離處，較大的液滴可能沒(méi)有全面加速到50m/s的風(fēng)洞空速。本試驗(yàn)表明，捕捉（2.45 -5.05 mm視場(chǎng)）水滴飛濺現(xiàn)象特寫(xiě)，并量化引入的水滴撞擊噴霧屬性已經(jīng)成為可能。不幸的是，我們不能夠解決與飛濺的噴出物相關(guān)的特性，這是因圖像中的高背景噪聲而產(chǎn)生的?；诖?，本試驗(yàn)采用的ultra-8高速相

14、機(jī)和成像方法，可能更適合使用單分散的液滴發(fā)生器的單液滴沖擊和飛濺的成像實(shí)驗(yàn)。液滴發(fā)生器的使用應(yīng)該大大減少，如果不消除，試驗(yàn)中會(huì)遇到背景光散射和風(fēng)洞側(cè)窗昏暗的問(wèn)題。冰粒子沖擊熱保護(hù)表面除了描述液相粒子的沖擊，研究冰顆粒沖擊飛機(jī)表面同樣有意義。與那些只有過(guò)冷液相條件相比，它需要評(píng)估混合相結(jié)冰條件對(duì)熱防冰系統(tǒng)的功率要求的影響。由于需要額外的熱量融化冰粒子，所以這要確定混合相結(jié)冰條件比液體這樣的單獨(dú)條件可能需要更多的熱功率。此外，還有意義的是研究冰粒子的“插入”或“反彈”的沖擊表面的程度。一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究這些問(wèn)題的測(cè)試，在Cox公司勒克萊爾結(jié)冰研究風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行（圖7）。這個(gè)測(cè)試是由美國(guó)聯(lián)邦航空局主辦，由

15、Cox公司，美國(guó)航空航天局格倫研究中心，與威奇托州立大學(xué)協(xié)辦的。由一個(gè)帶有電熱防冰系統(tǒng)的二維翼段所組成的測(cè)試條在各種混相條件下進(jìn)行測(cè)試。美國(guó)宇航局格倫為這個(gè)測(cè)試提供了高速的特寫(xiě)鏡頭成像系統(tǒng)。從成像系統(tǒng)得到的視覺(jué)信息是為了補(bǔ)全測(cè)試條的熱測(cè)量。高速特寫(xiě)鏡頭的成像方法被用來(lái)獲得一個(gè)更好理解的沖擊過(guò)程，以及冰粒子在特殊混合相的風(fēng)洞和測(cè)試物體表面條件下的“插入”或“反彈”的程度。 圖7：考克斯公司結(jié)冰風(fēng)洞測(cè)試設(shè)置：選為本次調(diào)查的試驗(yàn)物體包括一個(gè)3英尺（0.91m）的弦，NACA-0012翼型段（帶有7個(gè)區(qū)的電熱防冰系統(tǒng)）前緣。電加熱區(qū)配備了溫度儀表，而且可根據(jù)不同的操作模式，調(diào)節(jié)到設(shè)定點(diǎn)溫度。對(duì)于一個(gè)模

16、擬運(yùn)行的濕除冰系統(tǒng)，表面溫度保持在一個(gè)恒定的50F.模擬完全蒸發(fā)的操作，表面的溫度保持在150F.翼型被水平安裝在Cox公司結(jié)冰風(fēng)洞的# 2試驗(yàn)段，如圖8所示。成像系統(tǒng)：三攝像機(jī)系統(tǒng)是用于可視化冰沖擊試驗(yàn)物體前緣：1）高速攝像機(jī)，2）高清攝像機(jī)，3）一個(gè)迷你DV攝像機(jī)。 魅影V5高速相機(jī)被選擇用來(lái)測(cè)試其捕獲冰粒子的短期沖擊情況的能力，并促進(jìn)回放“慢放”系列視頻，供以后分析。這種產(chǎn)生慢動(dòng)作電影的能力是一個(gè)非常有用的功能，特別是對(duì)冰粒子碰撞過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)。一個(gè)200毫米尼克爾鏡頭被用在相機(jī)上做這個(gè)測(cè)試。圖8：電加熱試驗(yàn)件安裝在Cox公司結(jié)冰風(fēng)洞。魅影V5高速攝像等重要技術(shù)能力如下：10s的曝光時(shí)間

17、10241024像素的分辨率1000幀/秒線(xiàn)性位移和速度測(cè)量后期處理圖像的亮度/對(duì)比度，邊緣檢測(cè)，銳化，平滑，和校準(zhǔn)高清（HD）視頻在這個(gè)測(cè)試中采用的是第二種類(lèi)型的成像系統(tǒng)。它的目的是提供測(cè)試物體前緣的高分辨率、實(shí)時(shí)、特寫(xiě)的圖像，但比高速攝影機(jī)幀速率較低，只有60幀/秒。本高清攝像機(jī)系統(tǒng)采用1120720像素的分辨率的逐行掃描技術(shù)，CCD的靈敏度為1000ISO。在這個(gè)測(cè)試中所用的鏡頭是最大焦距變焦150的富士龍17XHD(HA17x7.8BERM)，和尼克爾200毫米遠(yuǎn)攝鏡頭。這個(gè)測(cè)試中使用的第三種成像系統(tǒng)是一個(gè)迷你DV攝像機(jī)。它涵蓋了寬視場(chǎng)，并試圖捕捉在翼型前緣發(fā)生的更多的總情況。它被用來(lái)

18、從高速相機(jī)和高清攝像機(jī)獲得的特寫(xiě)圖像提供設(shè)備場(chǎng)境。測(cè)試物體水平安裝在風(fēng)洞，前緣區(qū)域成像最好是由俯視圖完成，或從下面完成。由于從上面無(wú)法觀看，在試驗(yàn)段的底板一個(gè)窗口用于翼型前緣區(qū)域成像（如圖9所示）。 圖9：用來(lái)描述冰粒子碰撞過(guò)程的三種相機(jī)系統(tǒng)方向。 感興趣的主要區(qū)域是位于翼型駐點(diǎn)線(xiàn)的一個(gè)1英寸（2.5cm）方形區(qū)域，距離風(fēng)洞中線(xiàn)左邊約2.5英寸。高清和高速攝像系統(tǒng)都集中在這個(gè)地區(qū)。成像位置選擇在風(fēng)洞的水平中心線(xiàn)附近，以確保結(jié)冰條件盡可能標(biāo)準(zhǔn)。這三個(gè)攝像系統(tǒng)的成像區(qū)域，如圖10所示。 圖10：顯示三個(gè)攝像系統(tǒng)成像區(qū)域的測(cè)試物體前緣的特寫(xiě)觀察。試驗(yàn)過(guò)程：本試驗(yàn)的目的是評(píng)估混合相結(jié)冰條件對(duì)熱防冰系統(tǒng)

19、的性能的影響，。要做到這一點(diǎn)，測(cè)試物體要承受混合相結(jié)冰條件，其范圍從所有的過(guò)冷水（100%液體）到有冰顆粒的混合物，再到所有的冰粒子（100%冰）。在這個(gè)測(cè)試中使用的具體的混合相結(jié)冰條件如下表I。LWC,(g/m3)IWC,(g/m3)Ttot,(C)V,(mps).700-11.153.6.35.35-11.153.60.7-11.153.6.700-17.853.6.35.35-17.853.60.7-17.853.6表I混合相結(jié)冰試驗(yàn)條件范圍針對(duì)上述情況，冰保護(hù)系統(tǒng)在以下3種方式工作：表面無(wú)熱應(yīng)用（IPS關(guān)閉）蒸發(fā)防冰模式（Tsurf = 150F）濕防冰模式（Tsurf = 50F）對(duì)

20、于那些熱應(yīng)用于IPS（信息處理系統(tǒng)）的條件下，保持表面溫度設(shè)定值的電量被記錄下來(lái)。這些數(shù)據(jù)用來(lái)評(píng)估一個(gè)在IPS種特定的混和相條件下的相對(duì)影響。一般來(lái)說(shuō)，增加的功率要求轉(zhuǎn)化為對(duì)IPS更大的熱負(fù)荷。成像問(wèn)題：總體而言，成像方法是直接，并有良好的視覺(jué)通路。在少數(shù)情況下，水滴在上面流過(guò)，觀察窗成得模糊，這阻礙了測(cè)試物體的觀察。所以選擇側(cè)視窗（而不是一個(gè)底板窗）就已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。有時(shí)很難為高清攝像機(jī)找到合適的光闌調(diào)整，特別是有積冰在測(cè)試物體前緣形成時(shí)。積冰造成更多的光被反射回相機(jī)，難以體現(xiàn)冰粒子“跳躍”的細(xì)節(jié)，以及水膜在積冰表面的細(xì)節(jié)。通常，光闌調(diào)整是來(lái)回切換，使冰晶從表面反彈與測(cè)試運(yùn)行時(shí)冰的表面細(xì)

21、節(jié)異時(shí)觀看。成像結(jié)果：成像結(jié)果從高清視頻和高速攝像系統(tǒng)取得了有價(jià)值的定性信息，補(bǔ)充從冰保護(hù)系統(tǒng)獲得的熱測(cè)量。在測(cè)試之前有一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，那就是冰粒子沖擊飛機(jī)表面后的是“插入”還是“反彈”。而回答這個(gè)問(wèn)題的定量值不是來(lái)自成像獲得的數(shù)據(jù)，他可以做有關(guān)這個(gè)問(wèn)題的一些一般性的統(tǒng)計(jì)歸納。當(dāng)冰風(fēng)洞噴霧云含有冰粒子時(shí)經(jīng)常觀察“反彈”現(xiàn)象。冰粒子沖擊后出現(xiàn)彈道軌跡。無(wú)論表面是濕的還是干的，冰粒子被觀察到?jīng)_擊表面，破碎成更小的碎片，這些碎片隨后被噴射到空氣流或重新沖擊在翼型表面。在某些情況下，粒子被觀察到在一個(gè)非常傾斜角度撞擊表面，并偏離表面直接進(jìn)入氣流，然后被沖走。并不是所有的撞擊冰塊被認(rèn)為會(huì)從表面“反彈”。

22、不加熱的表面條件下的高清視頻的回放，發(fā)現(xiàn)冰粒子撞擊表面和粉碎后，有一塊冰保持在撞擊點(diǎn)表面。最終，它被觀察到升華了。一些破碎的部分也重新撞擊到表面上，它們也最終升華了。圖11：從高清攝像機(jī)顯示冰粒子撞擊在未加熱的表面幀捕獲圖像。殘余冰塊出現(xiàn)在黑色的翼型表面像白色斑點(diǎn)。 在表面被加熱的情況下，水珠被觀察到形成于翼型前緣的駐點(diǎn)線(xiàn)附近。這是所有混合相噴霧的條件（100%的過(guò)冷液體，部分液體和冰，100%冰）。水珠然后開(kāi)始凝聚成較大的顆粒，最后跑回到的翼型的后緣。圖12是以高清攝像機(jī)獲得的圖像為例，顯示翼型前緣的水珠。雖然它是不可能確定對(duì)任何給定的測(cè)試條件下的“反彈”或“插入”總的撞擊冰塊的確切百分比，

23、因?yàn)楹苊黠@，有一些冰殘留在表面。與干燥條件下測(cè)量功率相比，100%冰的條件下測(cè)量功率需要增加以保持表面恒定溫度。圖12：高清攝像機(jī)幀捕獲圖像，顯示出水珠在翼型前緣的加熱表面。高速攝像機(jī)提供視覺(jué)證據(jù)表明撞擊的冰粒子實(shí)際上可能飛濺出IPS。運(yùn)行濕IPS操作期間的高速圖像得到回放，發(fā)現(xiàn)冰粒子是撞擊水珠，導(dǎo)致水濺到遠(yuǎn)離表面。據(jù)觀察，飛濺的發(fā)生，為在駐點(diǎn)線(xiàn)加熱區(qū)低后低功耗的要求的提供了一種可能的解釋。在這些區(qū)域，相比過(guò)冷噴霧（100%液體）條件下的功率要求，需要保持恒定的表面溫度的混合相（液體和冰）的條件下功率要求比較低。據(jù)認(rèn)為，冰粒子可能飛濺起水從這些地區(qū)的翼型表面離開(kāi)，基本上，減少撞擊的總水含量，從

24、而產(chǎn)生較低的IPS熱負(fù)荷。冰粒子撞擊在水含量傳感器上被本文討論的高速的特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)的最終應(yīng)用，包括冰粒子撞擊的熱線(xiàn)云水含量傳感器。混合相結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，冰粒子被觀察到“反彈”出測(cè)試物體表面。這是真的，每一個(gè)模擬的混合相結(jié)冰條件下，冰粒子都被引入到氣流中。這個(gè)觀察導(dǎo)致我們推測(cè)在撞擊熱線(xiàn)總水含量（TWC）傳感器時(shí)是否冰粒子也可能是“跳躍”，這已被假定為捕獲和蒸發(fā)所有撞擊粒子（無(wú)論是冰或過(guò)冷液體）。進(jìn)一步調(diào)查，測(cè)試是2003年六月在勒克萊爾結(jié)冰研究實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞中進(jìn)行的。熱線(xiàn) LWC和TWC的探針進(jìn)行了一系列的結(jié)冰條件下具有液體和冰粒子的實(shí)驗(yàn)。這些儀器獲得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了相互的比較。與以前的混合相測(cè)試

25、一樣，高速特寫(xiě)鏡頭成像技術(shù)被用來(lái)研究冰粒子對(duì)幾種探針的熱線(xiàn)傳感元件的撞擊。測(cè)試的目的如下：確定冰顆粒是否“反彈”了探針的熱線(xiàn)傳感元件如果反彈發(fā)生，嘗試測(cè)量液體水含量從而量化彈跳的影響在受控環(huán)境中，比較熱線(xiàn)探針混合相結(jié)冰條件下的反應(yīng)測(cè)試設(shè)置：Cox公司風(fēng)洞的試驗(yàn)段# 1，如圖7所示，是用于本次研究的。這個(gè)更小的試驗(yàn)段尺寸是寬28英寸（0.71m），高46英寸（1.17m時(shí)），提供更接近的視覺(jué)觀察，而且比試驗(yàn)段# 2有更高的空速（用于前面提到的混合相的研究）。一種特殊的地板制造保護(hù)熱線(xiàn)探頭的安裝在風(fēng)洞地板上的架子。安裝的架子是制作用于每一個(gè)熱線(xiàn)探針的，這些架子依次用螺栓固定在特殊的底板組件。這地板

26、/安裝架的方法，確保每個(gè)探頭的傳感元件位于風(fēng)洞的縱向和橫向中心線(xiàn)。這樣做的目的是在三維空間中通過(guò)定位每個(gè)儀器傳感元件在相同的物理位置減少實(shí)驗(yàn)的不確定性。通過(guò)他們對(duì)冰粒子的反應(yīng)，對(duì)幾種不同的熱線(xiàn)水含量探測(cè)器進(jìn)行了評(píng)估：（1）Nevzorov TWC/LWC探針，（2）科學(xué)工程協(xié)會(huì)TWC探針，和（3）King LWC 探針。Nevzorov 探針（圖14）有一個(gè)TWC探針和一個(gè)LWC 探針，集成到一個(gè)葉片。此功能使它不僅測(cè)量水的總含量（液體+冰），但提供了在混合相的條件的冰水含量（IWC）的估量。雖然水含量的測(cè)量是通過(guò)兩個(gè)傳感器記錄，但是成像設(shè)備只集中在錐形的TWC傳感元件。圖14：Nevzoro

27、v TWC/LWC探針另一個(gè)由科學(xué)工程協(xié)會(huì)（SEA）開(kāi)發(fā)的外護(hù)罩移除的TWC探針也進(jìn)行了評(píng)估。通常該探頭一個(gè)環(huán)形護(hù)罩，被半圓柱狀的傳感元件圍繞著。然而，護(hù)罩被移除以便照亮和觀看測(cè)試中的傳感元件。圖15：科學(xué)工程協(xié)會(huì)TWC探針一個(gè)King LWC探針也通過(guò)它對(duì)于冰粒子的反應(yīng)來(lái)評(píng)估。傳感線(xiàn)是成像設(shè)備的關(guān)注重點(diǎn)，在兩個(gè)橫向支撐臂之間延長(zhǎng)了。圖16：King LWC探針King探針被包括在這個(gè)測(cè)試中是因?yàn)樗嗄陙?lái)已被廣泛使用，以致有一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)表征其性能。因此，King探針在這個(gè)測(cè)試中的結(jié)果可能會(huì)與這個(gè)機(jī)構(gòu)在液體和混合相的條件下的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。成像系統(tǒng)：在這個(gè)測(cè)試中所用的相機(jī)與之前討論的混合相

28、結(jié)冰試驗(yàn)所使用的相機(jī)是一樣。高清攝像機(jī)和一個(gè)幻影V5高速攝像機(jī)，是用于可視化研究冰粒子撞擊在熱線(xiàn)云水含量探針的傳感元件上。高清攝像機(jī)的目的是為每個(gè)測(cè)試運(yùn)行提供一個(gè)實(shí)時(shí)的高分辨率記錄。高速攝影的目的是在高幀速率下捕獲的冰粒子的撞擊過(guò)程，以便降低速度后回放。在測(cè)試的儀器的成像和照明是用試驗(yàn)段# 1側(cè)窗完成的。這個(gè)測(cè)試的成像設(shè)置，如圖17所示。圖17:冰粒子對(duì)云水含量的儀器撞擊研究成像裝置 試驗(yàn)過(guò)程：為評(píng)估冰粒子對(duì)熱線(xiàn)探針測(cè)量的的影響，測(cè)試物體承受了一系列的條件，包括過(guò)冷的水（100%液體），冰粒子和液體的混合物，以及所有的冰粒子（100%冰）。水含量的測(cè)量和探頭的傳感元件的特寫(xiě)視頻，獲得了為所有這

29、些在表II中列出了的測(cè)試條件。過(guò)冷水條件包括與冰葉片的測(cè)量進(jìn)行比較。相對(duì)于參考測(cè)量，這提供了探頭的性能測(cè)量的一個(gè)“基準(zhǔn)”。不幸的是，冰相條件下沒(méi)有這樣的參考。ConditionTypeLWC,(g/m)NominalIWC,(g/m)Ttot,(C)V,(mps)spray 1.5-12.267spray 2.75-12.267spray 31.0-12.267shaver 1-.2-12.267shaver 2-.4-12.267shaver 3-.6-12.267shaver 4.9-12.267mixed.5.6-12.267表II-用于評(píng)價(jià)熱線(xiàn)探頭對(duì)冰粒子反應(yīng)的試驗(yàn)條件范圍。（注：過(guò)冷

30、的水噴霧30M MVD）四“全冰”的條件是采用Cox公司的刨冰機(jī)系統(tǒng)生成的。與這些模擬的冰凍條件相關(guān)的名義測(cè)量冰的水含量顯示在表II中。與顯示的名義IWC值相比，IWC的真正價(jià)值要高，這是因?yàn)閺椞挠绊懞驮谶@個(gè)我們標(biāo)記的“共享”的試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。也有一個(gè)混合相位測(cè)試條件包括過(guò)冷噴涂粒子和冰刨粒子。成像結(jié)果：在混合相結(jié)冰試驗(yàn)中，高清視頻和高速攝影得到冰粒子碰撞過(guò)程中有價(jià)值的定量信息。這個(gè)圖像證實(shí)原猜想（冰可能觀察到“反彈”離開(kāi)傳感器），同時(shí)也揭示了一些意想不到的結(jié)果。圖18：冰粒子在科學(xué)工程協(xié)會(huì)TWC熱線(xiàn)傳感元件上的撞擊（半圓柱截面） 冰顆粒被觀察到的撞擊探針的熱線(xiàn)傳感元件。在某些情況下，冰

31、粒子粉碎成多個(gè)較小的片段，其中一些反彈離開(kāi)傳感器表面，進(jìn)入氣流然后被沖走。同時(shí)，在撞擊后，一些微小的殘余冰往往停留在傳感元件表面上，直到它明顯升華或熔化。在其他情況下，從冰粒子的撞擊觀察到液體從傳感元件飛濺到氣流中，最后被沖走了。典型的高幀頻相機(jī)的冰粒子撞擊圖像是在圖18和19所示，分別為SEA TWC傳感器，和King探測(cè)線(xiàn)。這一實(shí)驗(yàn)努力的目標(biāo)是估計(jì)冰粒子的“反彈”會(huì)對(duì)水含量的測(cè)定影響到什么程度。一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法是嘗試使用高速圖像，其中入射粒子和反彈顆粒會(huì)被計(jì)算在一定時(shí)間段內(nèi)。在試圖對(duì)圖像的幾個(gè)時(shí)間段實(shí)施這種方法之后，發(fā)現(xiàn)，這種方法是不切實(shí)際的。因此，我們無(wú)法利用視覺(jué)成像數(shù)據(jù)估計(jì)“反彈”的

32、程度和用一個(gè)特定的傳感器關(guān)聯(lián)它。我們計(jì)劃使用當(dāng)前獲取的數(shù)據(jù)和未來(lái)可能的測(cè)試研究其他潛在的方法，用來(lái)估計(jì)反彈的程度。圖19：冰粒子在King探針熱線(xiàn)傳感元件上的撞擊（圓截面） 有一個(gè)意想不到的結(jié)果，是一個(gè)現(xiàn)象，我們稱(chēng)之為“池”。最早發(fā)現(xiàn)在Nevzorov TWC傳感器上，而且高速攝像圖像測(cè)試后的審查表明，它也可以發(fā)生在SEA TWC傳感器（在某種程度上）上。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為一個(gè)積累，似乎是一個(gè)部分融化冰粒子的泥濘的“混合”塊，如圖20所示。這種塊似乎在增大，并在某一時(shí)刻，最終從錐形傳感元件彈出，接著循環(huán)將再次開(kāi)始。是否這是一個(gè)人為的試驗(yàn)條件（即與自然條件下存在的相比，選擇較高的IWC水平，）還不清

33、楚。 圖20：Nevzorov TWC熱線(xiàn)傳感元件反映融化冰顆粒的特寫(xiě)高清視頻圖像的審查表明，這可能不會(huì)發(fā)生在較低的IWC水平，。未來(lái)的測(cè)試將探索得更詳細(xì)，而且預(yù)計(jì)在未來(lái)，高幀速率的相機(jī)和高清視頻將是在這種性質(zhì)的試驗(yàn)中發(fā)揮重要的作用的工具?？偨Y(jié)和結(jié)論高速的特寫(xiě)鏡頭成像的使用已經(jīng)在三種不同的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中進(jìn)行了討論。對(duì)超高速攝像機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用在描述結(jié)冰風(fēng)洞噴霧云中大液滴撞擊和飛濺的特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。此評(píng)價(jià)結(jié)果表明，相比在冰風(fēng)洞的噴霧，超高速攝像機(jī)系統(tǒng)可能更適合用于單個(gè)液滴撞擊/飛濺的實(shí)驗(yàn)。由從冰云滴散射光引起的高水平的背景噪聲限制了解決和量化的程度所需的液滴撞擊/飛濺事件到所需程度的能力。高速攝像系統(tǒng)和高清晰度視頻被用來(lái)研究冰粒子在模擬熱防冰系統(tǒng)的撞擊。這些攝像機(jī)顯示，彈跳的冰粒子（或碎片）據(jù)觀察是存在的（無(wú)論是什么表面條件：不加熱，運(yùn)行加濕，或蒸發(fā)）。 高速圖像還表明，撞擊冰粒子也可能在撞擊后從表面濺出水。這一觀察與降低測(cè)試物體前緣的尾部區(qū)域的熱功率測(cè)量相關(guān)。在這些區(qū)域，冰粒子被認(rèn)為以很小的入射角度撞擊測(cè)試物體的表面。高速相機(jī)和高清攝像機(jī)也被用來(lái)研究冰粒子在熱線(xiàn)云水含量?jī)x器上的撞擊。冰粒子撞擊/“反彈”可以確定，由于反彈，故不可能去量化額定IWC減少量的影響。