李國(guó)文, 王建明, 楊 波

(1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110136；2. 大連海事大學(xué), 遼寧 大連 116026)

?

應(yīng)用于等離子減阻的光纖光柵測(cè)力天平實(shí)驗(yàn)研究

李國(guó)文1, 王建明1, 楊 波2

(1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110136；2. 大連海事大學(xué), 遼寧 大連 116026)

針對(duì)等離子減阻研究中使用高壓放電的強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)普通應(yīng)變天平信號(hào)產(chǎn)生干擾的問(wèn)題,利用目前光纖光柵可以在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中穩(wěn)定工作特點(diǎn),設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)以光纖光柵作為應(yīng)變計(jì)的天平。經(jīng)校準(zhǔn)以及溫度修正天平的精度可以滿(mǎn)足使用要求。進(jìn)行了飛機(jī)標(biāo)模對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合。在等離子減阻研究測(cè)力實(shí)驗(yàn)中與常規(guī)測(cè)壓方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明該技術(shù)可以應(yīng)用于天平,進(jìn)行航空航天測(cè)力方面的實(shí)驗(yàn)研究。

測(cè)力天平; 風(fēng)洞測(cè)力; 光纖光柵; 等離子體

國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料表明,21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ暮娇占夹g(shù)之一為主動(dòng)控制技術(shù)。目前對(duì)于流動(dòng)控制有多種方法,如在航空葉片的吸力面前緣采用溝槽、吸氣以及聲激勵(lì)措施,達(dá)到減阻增升的目的。但這些流動(dòng)控制措施結(jié)構(gòu)復(fù)雜,甚至有的嚴(yán)重破壞了機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隨著等離子體技術(shù)的出現(xiàn),可以在飛行器表面覆蓋等離子體,通過(guò)激勵(lì)電壓、頻率、相位以及電極分布的控制,可以有效地控制等離子體內(nèi)的電子密度以及等離子體的運(yùn)動(dòng)方向和流向，從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力,使飛行器機(jī)體表面流場(chǎng)發(fā)生改變,改善飛行器機(jī)翼后緣和表面的流動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)飛行器的減阻,提高飛行器的氣動(dòng)性能。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法一般包括表面壓力測(cè)量、定性的流動(dòng)顯示觀察分析、天平測(cè)力等。然而在高電壓電場(chǎng)下,普通航空應(yīng)變天平輸出的微弱信號(hào)已經(jīng)被等離子電場(chǎng)湮沒(méi),信號(hào)嚴(yán)重失真?？紤]到光纖光柵技術(shù)的發(fā)展,以及光纖光柵傳感器不受電場(chǎng)的影響[1-3],本文采用光纖光柵代替普通的應(yīng)變片作為天平的敏感元件。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料表明,受等離子電場(chǎng)影響,等離子減阻研究領(lǐng)域使用天平直接進(jìn)行測(cè)力實(shí)驗(yàn)還存在著諸多問(wèn)題。一般采用表面測(cè)壓法以及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算等。因此光纖光柵天平的研制解決了此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的瓶頸,拓寬了等離子減阻研究的方法和手段,在航空航天其他研究領(lǐng)域也有應(yīng)用價(jià)值。

1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵傳感器技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著光纖技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的傳感器技術(shù),它代表了新一代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),具有“傳”“感”合一的特點(diǎn)[3]。它是利用光纖對(duì)某些特定物理量敏感的特性,將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的光信號(hào)的技術(shù)。光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化的一種無(wú)源器件,只對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有反射作用,其他光無(wú)損耗地透過(guò)。

光纖布拉格(Bragg)光柵(FBG)是最普遍的一種光柵,是一段折射率呈周期性變化的光纖,其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。FBG光纖光柵結(jié)構(gòu)及反射、透射光譜見(jiàn)圖1。根據(jù)耦合模理論,FBG的光柵方程為

(1)

式中,λB為FBG的反射波中心波長(zhǎng)(Bragg波長(zhǎng))，neff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光纖柵距。

應(yīng)力、溫度等任何擾動(dòng)都可能引起neff和Λ的變化,從而使光柵的中心反射波長(zhǎng)發(fā)生漂移。當(dāng)FBG發(fā)生微小應(yīng)變時(shí),Bragg波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)及反射、透光譜

光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)約為10 pm/℃,目前品傲光電科技的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量分辨

率為1 pm,絕對(duì)精度為±3 pm。因此,未經(jīng)過(guò)封裝的光纖光柵直接用于溫度測(cè)量時(shí)其溫度分辨率為0.1 ℃左右，應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為1.2×10-9m/e(e為單位應(yīng)變),經(jīng)過(guò)封裝的光纖光柵直接用于應(yīng)變測(cè)量時(shí)其應(yīng)變分辨率為0.83 me左右(即可以探測(cè)8.3×10-7的應(yīng)變變化)[3],因此對(duì)于天平測(cè)力分辨率和精度可以滿(mǎn)足。

2 天平設(shè)計(jì)

常規(guī)天平的敏感元件使用應(yīng)變片,但在本課題中產(chǎn)生等離子體需要高壓電離正負(fù)極間的氣流,普通的敏感元件會(huì)在高壓放電的電場(chǎng)中受到嚴(yán)重的干擾,無(wú)法得到正確的應(yīng)變信號(hào)。從課題研究出發(fā),測(cè)量模型的氣動(dòng)力需要抗干擾強(qiáng)的敏感元件代替常規(guī)應(yīng)變片,因此采用光纖光柵作為天平變形的感受元件,設(shè)計(jì)了一臺(tái)光纖光柵天平,主要針對(duì)等離子減阻應(yīng)用方面的研究[4-5]。天平結(jié)構(gòu)[6-7]見(jiàn)圖2。

圖2 天平結(jié)構(gòu)

3 光纖光柵的粘貼及天平校準(zhǔn)

3.1 光纖光柵的粘貼

光纖光柵傳感器的粘貼和普通應(yīng)變片的粘貼大不相同。從圖1可以知道光纖光柵傳感器有內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為石英玻璃纖維,在長(zhǎng)度為6～10 mm纖維上利用光衍射的方法刻上數(shù)以萬(wàn)計(jì)的條紋,用以作為敏感元件；外層為保護(hù)膠制層(包層)。粘貼時(shí)先輕微地去掉光柵兩側(cè)的保護(hù)膠層,使用特殊的固定膠,把其兩端粘貼到彈性體上,經(jīng)烘干處理后方可使用。為滿(mǎn)足測(cè)量要求,在天平彈性體元件外側(cè)共安裝了12只光纖光柵應(yīng)變計(jì),在忽略彈性變形的軸根部粘貼溫度補(bǔ)償光纖,共計(jì)13根光柵,具體布置如圖3所示。

圖3 光纖光柵應(yīng)變計(jì)粘貼位置

3.2 光纖光柵天平的校準(zhǔn)

在完成設(shè)計(jì)、加工、光柵粘貼和測(cè)量線路的連接等工作后,光纖光柵天平必須進(jìn)行校準(zhǔn)。光纖光柵天平校準(zhǔn)是模擬天平的實(shí)際工作狀態(tài)(包括受載情況和工作環(huán)境)對(duì)光纖光柵天平進(jìn)行標(biāo)定。由于光纖對(duì)溫度具有敏感的特性,為此首先對(duì)光纖光柵天平進(jìn)行溫度特性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。利用可調(diào)溫度的恒溫箱進(jìn)行,以便進(jìn)行溫度修正。溫度修正光纖對(duì)0號(hào)柵,由于天平使用環(huán)境是在室溫條件下,因此溫度t修正范圍為15～25 ℃。由圖4可以計(jì)算出1 ℃對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)λ變化大約為9.82 pm,符合理論計(jì)算要求。天平的靜校采用多元校,利用最小二乘法求取天平公式系數(shù),在考慮溫度修正的情況下得到天平校準(zhǔn)系數(shù)。天平的校準(zhǔn)準(zhǔn)度見(jiàn)表1，表中Y為升力，Z為側(cè)力，Mx為滾轉(zhuǎn)力矩、My為偏航力矩、Mz為俯仰力矩。

圖4 光柵溫度效應(yīng)曲線

項(xiàng)目YMzMxZMy絕對(duì)誤差δ0.3370N0.0157N·m0.0093N·m0.1315N0.0199N·m相對(duì)誤差σ/%0.210.230.200.230.27極限誤差3σ/%0.630.700.590.650.79

4 標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用DBM-4041標(biāo)準(zhǔn)模型,為全鋼制模型,模型比例1∶3。該模型是國(guó)際、國(guó)內(nèi)通用的低速風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)模型,具有氣動(dòng)力在較大雷諾數(shù)范圍內(nèi)變化不敏感的優(yōu)良特性,而且有國(guó)內(nèi)外多個(gè)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作比較參考。主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)航空航天大學(xué)的DFD低速閉口回流風(fēng)洞,風(fēng)洞主要性能參數(shù)見(jiàn)表3(表中Cp為壓力系數(shù))。

實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)變天平和光纖光柵天平的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6(圖中α為攻角、CL為升力系數(shù)、CD為阻力系數(shù))。由圖6可以看出，2種天平的精度相近,只是測(cè)量阻力時(shí)光纖光柵天平與應(yīng)變天平測(cè)量有一定的誤差,但其測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是可以值得信賴(lài)[8-9]。

表3 風(fēng)洞參數(shù)

圖5 CL-α關(guān)系曲線

圖6 CD-α關(guān)系曲線

5 翼型等離子減阻實(shí)驗(yàn)

圖7為等離子體激勵(lì)器布局。實(shí)驗(yàn)在大連海事大學(xué)環(huán)境工程研究所低速回流式風(fēng)洞中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)段尺寸為0.2 m×0.2 m×0.6 m,風(fēng)速范圍為5～105 m/s,流場(chǎng)品質(zhì)良好。實(shí)驗(yàn)測(cè)量翼型為NACA0015翼型,光解調(diào)器為武漢光科生產(chǎn)的型號(hào)為BGD-16M光纖光柵解調(diào)器,用于光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)與數(shù)據(jù)讀取。波長(zhǎng)范圍為1 285～1 325 nm,分辨率為1 pm。用戶(hù)軟件采用VB程序編寫(xiě)。

圖7 等離子體激勵(lì)器布局

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出電壓峰峰值Vp-p=12 kV、頻率f=10 kHz時(shí),控制效果較為理想,故以下實(shí)驗(yàn)均采用此電壓和頻率。

圖8和圖9表明:在有無(wú)等離子時(shí),光纖光柵天平測(cè)量的氣動(dòng)力穩(wěn)定,不受其高電場(chǎng)的干擾，并且加載等離子體有效地改變了翼型的氣動(dòng)性能,光纖光柵天平可以測(cè)量出其中的變化,光纖光柵天平精度滿(mǎn)足測(cè)量的要求。圖10為光纖光柵天平測(cè)力與同期測(cè)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,兩種方法數(shù)據(jù)基本吻合,充分驗(yàn)證了光纖光柵天平數(shù)據(jù)的可靠性。因此光纖光柵天平設(shè)計(jì)合理,可以應(yīng)用于各種航空測(cè)力以及強(qiáng)干擾環(huán)境[10-12]。

圖8 有無(wú)等離子體激勵(lì)時(shí)cL隨α變化

圖9 有無(wú)等離子體激勵(lì)時(shí)cD隨α變化

圖10 測(cè)力和測(cè)壓cL隨α變化對(duì)比

6 結(jié)論

針對(duì)目前光纖光柵技術(shù)的發(fā)展及航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)要求,本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)以等離子減阻研究為目的的光纖光柵天平。光纖光柵天平設(shè)計(jì)考慮到了光纖傳感器與常規(guī)應(yīng)變片的區(qū)別,并且對(duì)光纖的溫度敏感特性加以考慮,并在光纖光柵天平使用中進(jìn)行了溫度修正。通過(guò)風(fēng)洞等離子減阻測(cè)力實(shí)驗(yàn),光纖光柵天平可以對(duì)其進(jìn)行定量的測(cè)量,與常規(guī)測(cè)壓方法數(shù)據(jù)基本吻合。因此,本文設(shè)計(jì)的光纖光柵天平可以應(yīng)用于航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn),并且隨著設(shè)計(jì)方法及修正方法的改進(jìn),其應(yīng)用有廣泛的前景。對(duì)于同種結(jié)構(gòu)與常規(guī)應(yīng)變片天平對(duì)比需要進(jìn)一步研究。

References)

[1] Kentfiled J A C,Claelle E J. The flow physics of the Gmney flaps devices for improving turbine blade ferformance [J]. Wind Engineering, 1993,19(1):24-34.

[2] Qian Weiqi,Cai Jinshi. Numerical simulation of turbulent flow past airfoil at low mach number[J].Acta Aeronautica Et Astronuatica Sinica,1999,20(3):261-264.

[3] Jesse Little, Munetake Nishihara, Igor Adamovich, et al. Separation control from the flap of a high-lift airfoil using DBD plasma actuators[R]. AIAA 2009:145.

[4] Corke T C, Post M L, Orlov D M. Single-dielectric barrier discharge plasma enhanced aerodynamics: concepts, optimization, and applications [J]. Journal of Propulsion and Power, 2008, 24(5):935-945.

[5] 任亮,李宏男,胡志強(qiáng),等. 一種增敏型光纖光柵應(yīng)變傳感器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].光電子激光,2008,19(11):1437-1441.

[6] 陸文詳,彭超. 高精度大升阻比民機(jī)測(cè)力天平研制[J].流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量,1999,13(3):75-79.

[7] 姚裕,吳洪濤,張召明.并聯(lián)風(fēng)洞天平應(yīng)用研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(1):84-87.

[8] 錢(qián)煒祺,蔡金獅.繞翼型低速流的數(shù)值模擬[J].航空學(xué)報(bào),1999,20(3):261-264.

[9] 惲起麟.風(fēng)洞試驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000:19-80.

[10] 畢衛(wèi)紅,李一良,張睿. 新型光纖壓力傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(8):8-10.

[11] 王穎. 光纖光柵傳感器技術(shù)的原理與應(yīng)用[J]. 開(kāi)發(fā)研究與設(shè)計(jì)技術(shù),2007(23):1297-1299.

[12] 李應(yīng)紅,吳應(yīng)，張樸，等. 等離子體激勵(lì)抑制翼型失速分離的實(shí)驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2008,26(3):372-377.

Fiber grating measuring force balance manufacture application for drag reduction of plasma

Li Guowen1, Wang Jianming1, Yang Bo2

(1. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Aim at using high voltage discharge in plasma reduction drag, there are some problems on strong electric field interferential general strain gauge signal. Fiber grating sensor may stably work in the strong electric field environment. The balance of fiber grating strain gauge is designed. By adjustment and temperature correction, the precision of balance may satisfy the using demand. In the experiment of plasma reduction drag, the data are identical with the general measurement pressure method. Experimental results indicate that the technology may be applied for balance, progressing experimental study on aviation and spaceflight measurement force.

force balance; wind tunnel measurement force； fiber grating; plasma

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.022

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

2016-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(600801010)

李國(guó)文(1978—)，男，河北唐山，碩士，工程師，研究方向?yàn)榱黧w.

E-mail：25402620@qq.com

TP715.1

A

1002-4956(2016)11-0089-05