張永存,陳柳生,閻 莉,鄧學(xué)鎣,程厚梅

(1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院,沈陽(yáng) 110034;2.北京航空航天大學(xué),北京 100191;3.中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所,北京 100190)

0 引 言

壓敏涂料PSP(Pressure Sensitive Paint)技術(shù)是基于發(fā)光分子的氧猝熄現(xiàn)象發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本使用原理是將一種特殊材料制成的具有壓力傳感器功能的壓敏涂料噴涂到模型表面上,它在特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射下,可發(fā)射出熒光。熒光強(qiáng)度場(chǎng)與壓力場(chǎng)強(qiáng)有關(guān),由高分辨率的數(shù)字式CCD攝像頭攝取模型表面熒光強(qiáng)度的圖像,通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理,可得到模型表面壓力分布。到目前為止,世界航空技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家風(fēng)洞中都進(jìn)行了該項(xiàng)技術(shù)研究,并配置了相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備,已經(jīng)提供工程應(yīng)用(在來(lái)流速度為亞、跨、超聲速定常流時(shí),已經(jīng)達(dá)到與常規(guī)測(cè)壓孔獲得的壓力分布的比較值為|Δ Cp|=0.05～0.02,如給定一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行修正可達(dá)到|Δ Cp|＜0.02的精準(zhǔn)度水平),從目前的發(fā)展趨勢(shì)上看,未來(lái)PSP技術(shù)將很有可能替代常規(guī)開孔壓力測(cè)量試驗(yàn)技術(shù),而且可以部分替代常規(guī)天平測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)。

PSP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需單獨(dú)另外加工復(fù)雜的測(cè)壓模型,就可得到壓力分布數(shù)據(jù),而對(duì)一些薄翼及無(wú)法開孔的部件,只要光能照到,則可得到壓力數(shù)據(jù)。對(duì)于型號(hào)設(shè)計(jì),這些試驗(yàn)是非常有用的。而且是一種準(zhǔn)非接觸連續(xù)的壓力分布測(cè)量技術(shù),積分可得到全模型載荷。由于其模型表面熒光強(qiáng)度的變化對(duì)應(yīng)于氣動(dòng)載荷分布變化,是實(shí)時(shí)的流譜,這些結(jié)果都具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于國(guó)外已經(jīng)有關(guān)于PSP技術(shù)的專著發(fā)表[1-2],因此作者較為詳細(xì)地介紹中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所對(duì)使用國(guó)產(chǎn)PSP的PSP技術(shù)的應(yīng)用研究工作。

1 壓敏涂料系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備

壓敏涂料系統(tǒng)主要由壓敏涂料、激發(fā)光源系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)圖像采集系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)圖像處理系統(tǒng)等5部分組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 PSP技術(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 General layout of the PSP system

1.1 壓敏涂料

PSP由屏蔽層、粘性層、活性層等3種化合物層組成,可以連續(xù)噴涂于模型表面。屏蔽層主要用于在模型表面建立光學(xué)均勻性和增加光的反射。該層也可在模型和活性層之間建立化學(xué)和物理的分離面,使模型的材料不影響PSP的性質(zhì)。粘性層的作用是確?；钚詫诱辰拥侥Ｐ捅砻娴钠帘螌印；钚詫又饕蓛煞N成份組成：一種是對(duì)氧有很高穿透性的化合物,另一種是散布在化合物中的受激發(fā)光分子團(tuán)。

PSP可以類似普通油漆一樣由噴槍噴于模型表面。壓敏涂料總厚度一般是0.04～0.08mm。

1.2 PSP的樣片校準(zhǔn)

在將PSP噴涂于模型表面的同時(shí),必須準(zhǔn)備校準(zhǔn)的樣片。在試驗(yàn)段中使用的試驗(yàn)圖像采集與處理系統(tǒng)和光源系統(tǒng)將用于校準(zhǔn)系統(tǒng)。

樣片校準(zhǔn)公式為：

式中：χji為校準(zhǔn)系數(shù);t為作用于樣片上壓敏涂料的環(huán)境溫度;p為作用于樣片上壓敏涂料空氣的壓力;Ir=I0/I,其中,I0為參考樣片在無(wú)氧分子滲透作用時(shí)產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度,它只與激發(fā)光源的光強(qiáng)有關(guān),與作用于PSP的溫度和空氣壓力無(wú)關(guān);I為對(duì)應(yīng)作用于PSP的溫度和空氣壓力時(shí),PSP發(fā)射的熒光強(qiáng)度。

1.3 PSP技術(shù)的自動(dòng)化風(fēng)洞試驗(yàn)方案

PSP技術(shù)應(yīng)用于暫沖式生產(chǎn)型高速風(fēng)洞時(shí),遇到的主要問(wèn)題有：

(1)風(fēng)洞試驗(yàn)流場(chǎng)不可能較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定,容易造成PSP技術(shù)進(jìn)行多次試驗(yàn)圖像采集時(shí),因試驗(yàn)流場(chǎng)不同導(dǎo)致試驗(yàn)精度不高。另外,PSP技術(shù)與風(fēng)洞常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的不同步,是造成兩者試驗(yàn)結(jié)果在比較時(shí)的偏差的主要因素之一;

(2)PSP技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是采用手動(dòng)的方式完成,造成試驗(yàn)效率低及容易產(chǎn)生人為失誤使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失。

為解決上述問(wèn)題,研制與開發(fā)了PSP技術(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)控制軟件,實(shí)現(xiàn)了PSP技術(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)的自動(dòng)化。其控制流程見(jiàn)圖2。

圖2 PSP技術(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of PSP technique in wind tunnel test

2 PSP的研制與開發(fā)

PSP是PSP技術(shù)的關(guān)鍵之一,它提供了測(cè)量模型所有可視表面壓力分布和計(jì)算氣動(dòng)載荷的能力,其性能決定了PSP技術(shù)的應(yīng)用范圍。

作者已經(jīng)完成了適應(yīng)現(xiàn)有設(shè)備條件的 PSP FOP-1涂料、FOP-3涂料的研制與開發(fā)：FOP-1涂料、FOP-3涂料在照射光波長(zhǎng)為320～350nm的照射下,其發(fā)射光波長(zhǎng)為 425～550nm,與俄羅斯產(chǎn)品LPS-L4涂料相同;FOP-1涂料、FOP-3涂料的壓力靈敏度、溫度系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于俄羅斯產(chǎn)品LPS-L4涂料。

(1)壓力靈敏度

是指在試驗(yàn)條件下,壓力變化量產(chǎn)生的PSP輸出熒光強(qiáng)度的變化量。在模型表面測(cè)量區(qū)域內(nèi),每幀PSP技術(shù)采集的圖像中,PSP輸出熒光強(qiáng)度的變化量越大,則靈敏度越高。

由于PSP技術(shù)系絕對(duì)壓力測(cè)量,其PSP壓力靈敏度不僅僅與測(cè)量區(qū)域內(nèi)模型表面壓力變化量有關(guān),而且與試驗(yàn)區(qū)域當(dāng)?shù)氐膲毫τ嘘P(guān)。由圖3可知：相同的壓力變化量,在壓力為0.1MPa時(shí),PSP熒光強(qiáng)度的輸出量小于壓力為0.06MPa區(qū)域熒光強(qiáng)度的輸出量。當(dāng)高速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),隨著試驗(yàn)速度的增加,試驗(yàn)段的靜壓在降低,試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫦嗤膲毫ψ兓?將使PSP輸出的熒光強(qiáng)度有較大的改變。這是PSP技術(shù)高速度條件下的試驗(yàn)結(jié)果好于較低速度試驗(yàn)結(jié)果的主要原因之一。

圖3 國(guó)產(chǎn)PSP的性能曲線Fig.3 Performance curve of the PSP sample

研制成功的PSP FOP-1涂料的主要技術(shù)指標(biāo)為：I0/I對(duì)P的校準(zhǔn)曲線為直線,其線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.99(見(jiàn)圖4)。它的壓力靈敏度為105,比俄羅斯LPS-L4涂料高50%,并可按試驗(yàn)條件不同進(jìn)行調(diào)整(見(jiàn)圖3);

(2)溫度系數(shù)

是指在試驗(yàn)條件下,環(huán)境溫度變化量產(chǎn)生的PSP輸出熒光強(qiáng)度的變化量。

在高速風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),模型表面的溫度在1分多鐘的時(shí)間內(nèi),從沒(méi)吹風(fēng)時(shí)的5℃變化到-17.3℃,并且翼尖尖與翼根的溫度可相差8℃。在風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),進(jìn)行模型表面溫度分布的測(cè)量,其本身就是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。由于具有壓力傳感器功能的PSP是直接裸露在風(fēng)洞氣流中,所以研制溫度系數(shù)小的PSP有利于提高PSP技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度水平。

圖4 在t=20℃時(shí)樣片壓力校準(zhǔn)曲線Fig.4 Pressure calibration curve of the sample at t=20℃

溫度對(duì)FOP-1涂料性能的影響為0.06,僅為俄羅斯LPS-L4涂料的20%(見(jiàn)圖5)。由于溫度對(duì)FOP-1涂料性能的影響很小(見(jiàn)圖6),因此,在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí),僅使用模型表面一個(gè)位置的溫度變化值就可以。

圖5 在P=0.1MPa時(shí)樣片溫度校準(zhǔn)曲線Fig.5 Temperature calibration curve of the sampleat P=0.1MPa

圖6 FOP-1涂料的溫度性能曲線Fig.6 Temperature calibration curve of the sample for theFOP-1 paint

3 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)研究

3.1 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)精準(zhǔn)度研究

PSP技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度技術(shù)指標(biāo)的好壞是該技術(shù)能否應(yīng)用于生產(chǎn)型風(fēng)洞試驗(yàn)的先決條件。雖然,常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)本身存在著測(cè)壓孔對(duì)模型表面真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)的影響,只是完成了相對(duì)于測(cè)壓孔口面積的氣流平均壓力值的測(cè)量,測(cè)壓孔直徑不可能很小,而且受模型制造技術(shù)的限制,模型表面的測(cè)壓孔無(wú)法完全垂直于當(dāng)?shù)氐奈锩妗ｋm然存在許多無(wú)法克服的技術(shù)問(wèn)題,但是,該技術(shù)仍然是目前風(fēng)洞最可靠的測(cè)試技術(shù)之一。所以,對(duì)使用國(guó)產(chǎn)PSP的PSP技術(shù)的驗(yàn)證方法為：

(1)經(jīng)多次數(shù)據(jù)采集完成PSP技術(shù)的精度研究;

(2)同時(shí)完成PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果的采集,利用二種試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)對(duì)比,完成PSP技術(shù)的準(zhǔn)度研究。

使用圖7所示的簡(jiǎn)化飛機(jī)全機(jī)測(cè)壓模型在FL-1風(fēng)洞中完成了PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)。

圖7 簡(jiǎn)化全機(jī)測(cè)壓模型Fig.7 Airplane model diagram

PSP技術(shù)4次采集試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度|Δ Cp|=0.035(見(jiàn)圖8),達(dá)到了國(guó)外同類技術(shù)的精準(zhǔn)度水平。

圖8 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)壓力測(cè)量結(jié)果的比較Fig.8 Comparison between pressure distributions obtained with PSP technique and classic taps technique1

主要的試驗(yàn)設(shè)備為：試驗(yàn)圖像的采集由Photometrics公司的數(shù)字式CCD攝像頭CH250(12bit的灰度,512×512像素)完成,鏡頭上安裝有UV鏡片。激發(fā)光源為俄羅斯NLM-240激光器,其技術(shù)指標(biāo)為：平均激光輸出功率240mW,輸出波長(zhǎng)337nm,脈沖頻率1000Hz以上,激光束直徑4mm。

3.2 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)應(yīng)用研究

3.2.1 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)對(duì)模型機(jī)翼壓力的測(cè)量

由于風(fēng)洞氣流溫度的變化對(duì)國(guó)產(chǎn)FOP-1涂料性能的影響很小,因此作者使用下述試驗(yàn)方法完成PSP技術(shù)對(duì)模型表面壓力的測(cè)量及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與修正：

(1)完成風(fēng)洞總溫的測(cè)量;

(2)根據(jù)測(cè)量的風(fēng)洞總溫值計(jì)算PSP技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果;

(3)在模型選定位置處,計(jì)算常規(guī)壓力測(cè)量技術(shù)與PSP技術(shù)測(cè)量結(jié)果的差值;

(4)將其余測(cè)量區(qū)域的PSP技術(shù)測(cè)量結(jié)果均加上Δ Cp進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,給出PSP技術(shù)最終的試驗(yàn)結(jié)果。

圖7所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀覚C(jī)翼測(cè)壓孔及測(cè)壓剖面的分布見(jiàn)圖9。

圖9 右機(jī)翼測(cè)壓孔及測(cè)壓剖面分布Fig.9 Distributions of pressure taps and pressure sections in airplane model right wing

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)PSP技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果符合得較好(見(jiàn)圖10);

(2)圖9與10比較可知：PSP技術(shù)比常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)更好地反映了在x/Cr=0.56到 x/Cr=0.75之間機(jī)翼前緣渦的影響。

3.2.2 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)對(duì)模型小尺寸特種部件壓力的測(cè)量

在風(fēng)洞試驗(yàn)中,通常是用常規(guī)壓力孔試驗(yàn)技術(shù)、部件測(cè)力和鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)完成飛機(jī)的前緣襟翼、副翼、襟翼、平尾、立尾等部件氣動(dòng)性能的測(cè)量。在這些測(cè)量技術(shù)中,目前存在的主要技術(shù)難點(diǎn)是：

(1)因模型厚度的原因,常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)的測(cè)壓管很難安裝或不能安裝;

(2)鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)存在天平的設(shè)計(jì)、天平的校準(zhǔn)、天平參考點(diǎn)的確定、天平在模型上的安裝方式及模型彈性變形等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;

(3)在風(fēng)洞進(jìn)行部件測(cè)力試驗(yàn)時(shí),存在試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c全機(jī)模型的幾何相似問(wèn)題;

(4)前緣襟翼試驗(yàn)由于模型及測(cè)量技術(shù)的原因,得到較好的試驗(yàn)結(jié)果是非常困難的。

使用國(guó)產(chǎn)FOP-1涂料的PSP技術(shù)在FL-2風(fēng)洞中的某飛機(jī)模型前緣襟翼、后緣襟翼、副翼等部件上完成了壓力測(cè)量試驗(yàn)技術(shù)研究。

圖10 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)壓力測(cè)量結(jié)果的比較Fig.10 Comparison between pressure distributions obtained with PSP technique and classic taps technique

圖11 在飛機(jī)前緣襟翼處,使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)壓力測(cè)量結(jié)果的比較Fig.11 Comparison between pressure distributions obtained with PSP technique and classic taps technique on the leading-edge flap of airplane model

(1)在機(jī)翼前緣襟翼x/c=0～0.2處,PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果符合得較好(見(jiàn)圖11);

(2)在機(jī)翼副翼、后緣襟翼x/c=0.8～1.0處,PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果符合得較好(見(jiàn)圖12、13)。

圖12 在飛機(jī)后緣襟翼處,使用 FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)壓力測(cè)量結(jié)果的比較Fig.12 Comparison between pressure distributions obtained with PSP technique and classic taps technique on the trailing-edge flap of airplane model

圖13 在飛機(jī)副翼處,使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測(cè)壓孔技術(shù)壓力測(cè)量結(jié)果的比較Fig.13 Comparison between pressure distributions obtained with PSP technique and classic taps technique on the aileron of airplane model

4 結(jié)論與今后的研究方向

已研究出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紫外光型壓敏涂料FOP-1,其性能優(yōu)于俄羅斯的同類產(chǎn)品,已可用于生產(chǎn)型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。對(duì)于跨聲速試驗(yàn),使用該涂料的PSP技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度達(dá)到了工程應(yīng)用的水平。

由于雙分量 PSP在激發(fā)光照射下,較單分量PSP多發(fā)射出600nm～650nm波段的熒光作為參照光,在使用兩臺(tái)數(shù)字式CCD攝像頭同時(shí)完成試驗(yàn)圖像的采集時(shí),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,可有效地消除激發(fā)光源的不穩(wěn)定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。因此,可選用閃光燈作為激發(fā)光源。因閃光燈的工作時(shí)間很短,可有效地減少風(fēng)洞流場(chǎng)的不穩(wěn)定、模型振動(dòng)等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。所以,對(duì)雙分量PSP的研制與開發(fā)、使用雙分量PSP的PSP技術(shù)的應(yīng)用研究工作將是今后研究工作的重點(diǎn)。

致謝：

本項(xiàng)目在研究過(guò)程中,得到了趙文濤、董鷹、陳雪原、董軍、邢漢奇等同志的大力支持,在此表明衷心的感謝。

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