尚金奎，李玉軍，趙榮奐，王 猛，衷洪杰，徐兆楠，崔曉春

(中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034)

0 引 言

飛機(jī)周?chē)臻g介質(zhì)流動(dòng)速度和飛機(jī)表面壓力分布是極為重要的兩種氣動(dòng)特性參數(shù)，這兩種氣動(dòng)特性參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化、新概念飛機(jī)氣動(dòng)現(xiàn)象的理解和分析以及空氣動(dòng)力學(xué)自身的研究和發(fā)展均具有重要價(jià)值。自20 世紀(jì)七八十年代，隨著激光技術(shù)、成像技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以成像和圖像處理為基礎(chǔ)的先進(jìn)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)在空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)和高速發(fā)展，粒子圖像測(cè)速（particle image velocimetry, PIV）技術(shù)和壓力敏感涂料（pressure sensitive paint, PSP）技術(shù)就是其中最具代表性的兩種。

PIV 技術(shù)最早由20 世紀(jì)六七十年代測(cè)量固體位移的激光散斑技術(shù)演變而來(lái)，20 世紀(jì)八十年代發(fā)展成型并迅速應(yīng)用開(kāi)來(lái)。它突破了激光多普勒測(cè)速（laser Doppler velocimeter, LDV）技術(shù)單點(diǎn)測(cè)速的局限，也克服了熱線、探針等對(duì)流場(chǎng)存在的干擾問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)空間流動(dòng)可視化的同時(shí)提供了全流場(chǎng)定量化速度信息。空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域最早的PSP 技術(shù)報(bào)道在20 世紀(jì)八十年代，來(lái)自于蘇聯(lián)著名的空氣動(dòng)力學(xué)研究機(jī)構(gòu)TsAGI。美國(guó)NASA、AEDC，歐洲D(zhuǎn)NW、ONERA，日本JAXA 等大型風(fēng)洞中均建設(shè)了PIV 及PSP 試驗(yàn)系統(tǒng)，在包括大飛機(jī)在內(nèi)的多型飛行器研制試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用[1-2]。目前，國(guó)外PIV 技術(shù)及PSP 技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟[3-4]，并大量應(yīng)用于工程試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)，中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“航空工業(yè)氣動(dòng)院”）是較早開(kāi)展PIV 技術(shù)研究、掌握PIV 技術(shù)并在大飛機(jī)研制試驗(yàn)中開(kāi)展工程應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)[5-7]。近年來(lái)，隨著TSI、LAVISON、DANTEC等公司PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的推廣，PIV 技術(shù)在包括航空航天在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[8-10]，PIV 技術(shù)研究也獲得了快速發(fā)展。傅奇星等研究了PIV 在二維流場(chǎng)測(cè)試中不確定度的量化方法[11]；劉兵等研究了PIV 測(cè)量精度影響因素，給出了示蹤粒子撒播、成像組件以及圖像處理方法選擇方面的建議[12]；岳廷瑞等梳理了大型風(fēng)洞PIV 試驗(yàn)常見(jiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決措施[13]，研究了適用于大型風(fēng)洞PIV 試驗(yàn)的粒子發(fā)生裝置[14]。PSP 技術(shù)最早由航空工業(yè)氣動(dòng)院自俄羅斯引入國(guó)內(nèi)，與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所合作完成了PSP 涂料國(guó)產(chǎn)化，開(kāi)展了工程應(yīng)用試驗(yàn)[15-17]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)PSP 技術(shù)獲得了快速發(fā)展，包括上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等在內(nèi)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和高校均開(kāi)展了相關(guān)研究，其中航空工業(yè)氣動(dòng)院和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心均已建成體系化PSP 試驗(yàn)系統(tǒng)，形成了工程應(yīng)用能力。熊健等在2.4 m 跨聲速風(fēng)洞中建立了雙組份、多光源和多相機(jī)的 PSP 測(cè)量系統(tǒng)，成功應(yīng)用于大飛機(jī)測(cè)壓[18]；劉祥綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)學(xué)推演和試驗(yàn)方法，對(duì)雙組份PSP 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不確定度進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[19]；張雪等研究了快速響應(yīng)PSP 技術(shù)在跨聲速葉柵試驗(yàn)中的應(yīng)用[20]；彭迪等回顧并總結(jié)了快響應(yīng) PSP 測(cè)量技術(shù)的最新研究進(jìn)展，討論了高超聲速風(fēng)洞 PSP 測(cè)量技術(shù)的挑戰(zhàn)與對(duì)策[21-22]。

隨著我國(guó)先進(jìn)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，包括PIV 流場(chǎng)測(cè)量、PSP 測(cè)壓、紅外及溫度敏感涂料轉(zhuǎn)捩測(cè)量、視頻形變位姿測(cè)量等在內(nèi)的多種先進(jìn)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)已在大飛機(jī)研制試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用。多種光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)可以集成綜合應(yīng)用，也可以與常規(guī)測(cè)力測(cè)壓技術(shù)相結(jié)合，獲得多物理場(chǎng)綜合化氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)。這種綜合化多物理場(chǎng)氣動(dòng)特性參數(shù)對(duì)于氣動(dòng)機(jī)理研究、飛機(jī)故障診斷以及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。本文開(kāi)展了PIV 速度場(chǎng)測(cè)量精度測(cè)定及PSP 涂層厚度/粗糙度對(duì)測(cè)力測(cè)壓影響評(píng)估，并在2.4 m 連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞中綜合應(yīng)用PIV 技術(shù)及PSP技術(shù)，測(cè)量了大飛機(jī)標(biāo)模民機(jī)校驗(yàn)?zāi)Ｐ停╟ivil aircraft calibration model, CACM）機(jī)翼空間流動(dòng)速度場(chǎng)及機(jī)翼表面壓力分布。

1 PIV 及PSP 技術(shù)原理

1.1 PIV 技術(shù)原理

PIV 技術(shù)是一種用于透明介質(zhì)空間的流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。在風(fēng)洞中進(jìn)行PIV 試驗(yàn)時(shí)，首先，通過(guò)粒子發(fā)生與投放裝置向風(fēng)洞流場(chǎng)中注入微小的示蹤粒子，在待測(cè)試驗(yàn)區(qū)形成適當(dāng)密度且相對(duì)均勻的示蹤粒子云。要求示蹤粒子粒徑足夠小，以具有足夠的氣流運(yùn)動(dòng)跟隨性。隨后，利用激光器及光學(xué)系統(tǒng)生成片狀激光，投射到流場(chǎng)待測(cè)區(qū)，照亮示蹤粒子。最后，使用專(zhuān)用幀轉(zhuǎn)移相機(jī)，連續(xù)兩次拍攝待測(cè)區(qū)流場(chǎng)中的示蹤粒子，獲得兩幀示蹤粒子圖像，即圖像A 和圖像B。圖像A 和圖像B 拍攝時(shí)間間隔 Δt極短（例如5 μs），大多數(shù)成像在第一張圖像（圖像A）中的示蹤粒子由于運(yùn)動(dòng)距離極短并沒(méi)有隨氣流運(yùn)動(dòng)移出激光片光照亮區(qū)域，所以在第二次拍攝時(shí)，這些示蹤粒子仍成像在第二張圖像（圖像B）上。因此，這兩張圖像中的粒子具有一定的相關(guān)性。

對(duì)A、B 兩張圖像進(jìn)行區(qū)塊（也稱(chēng)查問(wèn)域）劃分，并根據(jù)式（1）進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，再根據(jù)互相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)確定示蹤粒子在這兩張圖像中的位移距離（ Δ?s）。式（1）如下：

式中，r(m,n)為輸出互相關(guān)矩陣第m行第n列的元素值；I1、I2分別為圖像A、圖像B 查問(wèn)域像素灰度值；I1、I2分別為圖像A、圖像B 查問(wèn)域像素灰度均值；i、j為查問(wèn)域橫向及縱向像素位置索引；M、N為查問(wèn)域?qū)捄透摺?/p>

基于運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系（式（2）），獲得示蹤粒子運(yùn)動(dòng)速度，即當(dāng)?shù)貧饬鬟\(yùn)動(dòng)速度v：

1.2 PSP 技術(shù)原理

PSP 技術(shù)是一種風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鎵毫?chǎng)測(cè)量技術(shù)。進(jìn)行PSP 試驗(yàn)時(shí)，通常需要通過(guò)噴涂的方式在模型表面制備PSP 涂層。PSP 涂層中含有的熒光探針?lè)肿釉诩ぐl(fā)光照射下會(huì)發(fā)射熒光，當(dāng)?shù)丨h(huán)境氧分子會(huì)吸收處于激發(fā)態(tài)的熒光探針?lè)肿拥哪芰浚蛊涫晒獍l(fā)射能力（氧熒光猝滅效應(yīng)），從而降低涂層發(fā)射熒光強(qiáng)度。當(dāng)?shù)丨h(huán)境氧分子濃度與環(huán)境壓力直接相關(guān)，PSP 測(cè)壓就是利用了這一原理。

模型表面PSP 涂層通常由活性層和基層（也稱(chēng)面漆層和底漆層）構(gòu)成，活性層中包含能夠發(fā)光的熒光探針?lè)肿雍途哂休^高透氣性的載體基質(zhì)，氧熒光猝滅效應(yīng)就發(fā)生在這一層?；鶎油ǔ：邪咨叻瓷湮镔|(zhì)，不含熒光探針?lè)肿樱哂懈綦x模型基底、提高激發(fā)光和熒光反射的作用。

氧熒光猝滅效應(yīng)的強(qiáng)弱與環(huán)境中氧分子濃度、探針?lè)肿蛹ぐl(fā)態(tài)本征壽命以及激發(fā)態(tài)猝滅速率有關(guān)。通?？梢杂?Stern-Volmer 公式表述壓敏涂料氧熒光猝滅效應(yīng)的影響和氧分子濃度的關(guān)系[4]：

式中，I0和I分別表示無(wú)氧環(huán)境下和氧濃度為[O2]環(huán)境下壓敏涂料發(fā)光強(qiáng)度，kq表示雙分子碰撞猝滅速率常數(shù)，τ0表示激發(fā)態(tài)本征壽命，[O2]表示猝滅劑氧分子濃度。

實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)中，要得到I0既不現(xiàn)實(shí)也不可能，因此引入?yún)⒄諣顟B(tài)（比如風(fēng)洞未啟動(dòng)的常溫常壓狀態(tài)），PSP 涂層發(fā)光強(qiáng)度與環(huán)境壓力之間的關(guān)系可以用公式（4）表示：

式中，Iref、pref表示在選定參照狀態(tài)下的壓敏涂層熒光光強(qiáng)和選定參照狀態(tài)下的當(dāng)?shù)丨h(huán)境壓力；It、p表示試驗(yàn)狀態(tài)下的壓敏涂層熒光光強(qiáng)和試驗(yàn)狀態(tài)下的當(dāng)?shù)丨h(huán)境壓力；Aa(T)表示壓敏涂層光強(qiáng)與壓力換算系數(shù)，由風(fēng)洞試驗(yàn)前PSP 涂層特性標(biāo)定試驗(yàn)確定；T為環(huán)境溫度；a為多項(xiàng)式冪次和換算系數(shù)下標(biāo)，其最大值N通常取2。

2 PIV 測(cè)量精度的考核驗(yàn)證

為了考察高頻PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)在真實(shí)風(fēng)洞環(huán)境中的測(cè)量精度，在航空工業(yè)氣動(dòng)院FL-61 風(fēng)洞中應(yīng)用高頻PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了空流場(chǎng)條件下的風(fēng)速測(cè)定（見(jiàn)圖1）。通過(guò)多組PIV 速度測(cè)量均值之間的偏差分析，對(duì)PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性精度進(jìn)行評(píng)估。

圖1 高頻PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)FL-61 風(fēng)洞測(cè)量精度考核試驗(yàn)Fig.1 Accuracy assesment test of high-frequency PIV test system in FL-61

FL-61 風(fēng)洞是一座亞、跨、超三聲速連續(xù)式風(fēng)洞，馬赫數(shù)范圍為0.15～1.6，試驗(yàn)段橫截面尺寸為0.6 m×0.6 m，試驗(yàn)段全長(zhǎng)為2.7 m。該風(fēng)洞具有很好的流場(chǎng)品質(zhì)，馬赫數(shù)控制精度小于0.0005。研究中使用的PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)相機(jī)分辨率為1280×1024，鏡頭焦距為50 mm，相機(jī)視場(chǎng)約200 mm×160 mm，鏡頭前安裝有527 nm 帶通濾鏡。PIV 測(cè)量截面位于試驗(yàn)段縱向?qū)ΨQ(chēng)面內(nèi)，距離左右兩側(cè)壁板均為300 mm，是以模型支撐旋轉(zhuǎn)中心為中點(diǎn)，豎直方向160 mm、流向200 mm的矩形區(qū)域（相機(jī)視場(chǎng)）。PIV 示蹤粒子材料為癸二酸二異辛酯（DEHS），由專(zhuān)用粒子生成與撒播系統(tǒng)產(chǎn)生，在風(fēng)洞試驗(yàn)段上游穩(wěn)定段進(jìn)行播撒，粒子粒徑主要集中于0.5～1.5 μm 范圍內(nèi)。

風(fēng)洞流場(chǎng)名義風(fēng)速設(shè)定為30、50、150、200、280 m/s。試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)測(cè)試工況流場(chǎng)穩(wěn)定且維持5 min 后開(kāi)始PIV 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，每組數(shù)據(jù)至少包含40 對(duì)粒子圖像，系統(tǒng)采集頻率1 kHz，激光脈沖時(shí)間間隔3 μs，采集數(shù)據(jù)50 組以上。在進(jìn)行PIV 數(shù)據(jù)采集過(guò)程中同時(shí)測(cè)量了不少于100 點(diǎn)的風(fēng)洞來(lái)流總壓、總溫及靜溫，計(jì)算獲得測(cè)量時(shí)刻的風(fēng)洞氣流速度，計(jì)算其均值作為風(fēng)洞氣流參照速度。實(shí)際試驗(yàn)中風(fēng)速（風(fēng)洞氣流參照速度）分別為29.99、49.99、100.01、149.99、199.99、280.16 m/s。

PIV 數(shù)據(jù)處理時(shí)，查問(wèn)域?yàn)?2 pixel×32 pixel，計(jì)算步長(zhǎng)16 pixel；以核心區(qū)（圖像中長(zhǎng)寬各3/5 的中心區(qū)域）數(shù)據(jù)均值作為一個(gè)PIV 風(fēng)速數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量風(fēng)速均獲得50 個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量樣本；以相對(duì)均方根誤差作為該風(fēng)速下的測(cè)量精度，在30～280 m/s 范圍內(nèi)，PIV 系統(tǒng)測(cè)量精度均優(yōu)于1%。

以風(fēng)洞氣流參照速度為真值、PIV 測(cè)量風(fēng)速均值為測(cè)量值，在各試驗(yàn)風(fēng)速下，PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)度均優(yōu)于1.5%。圖2 給出了不同來(lái)流風(fēng)速下50 個(gè)樣本點(diǎn)的PIV 速度均值曲線，紅色實(shí)線為50 個(gè)樣本點(diǎn)PIV 速度均值，紅色虛線為測(cè)量均值±1%的界限。

圖2 不同風(fēng)速下連續(xù)重復(fù)PIV 測(cè)量結(jié)果曲線Fig.2 Continuous PIV measurement data under different wind speeds

3 PSP 涂層影響研究

為了研究PSP 涂層厚度及粗糙度對(duì)測(cè)力測(cè)壓的影響，進(jìn)而指導(dǎo)大飛機(jī)氣動(dòng)特性參數(shù)PSP 測(cè)量試驗(yàn)，以NACA0012 翼型為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在FL-61 風(fēng)洞開(kāi)展了測(cè)力和測(cè)壓試驗(yàn)。研究中將不同厚度及粗糙度的聚酰亞胺（PI）不干膠薄膜粘貼在干凈模型表面，模擬不同厚度及粗糙度的PSP 涂層，開(kāi)展固定轉(zhuǎn)捩、固定雷諾數(shù)測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，模型上下表面通過(guò)柱狀粗糙元強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩。轉(zhuǎn)捩位置固定于10%弦長(zhǎng)，弦長(zhǎng)雷諾數(shù)為Re= 2.0×106，試驗(yàn)馬赫數(shù)Ma= 0.7、0.85，迎角α= ?3°～3°，涂層厚度k= 0～0.18 mm，粗糙度Ra= 0.02～5 μm。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)固定表面粗糙度、改變薄膜厚度，得到厚度對(duì)測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)的影響特性；通過(guò)固定薄膜厚度、改變表面粗糙度，得到粗糙度對(duì)測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)的影響特性。

試驗(yàn)使用NACA0012 二元翼型，弦長(zhǎng)c=150 mm、展長(zhǎng)400 mm，分別設(shè)計(jì)了測(cè)力和測(cè)壓兩種構(gòu)型（測(cè)壓構(gòu)型上下表面各布置25 個(gè)測(cè)壓孔），翼型兩側(cè)有直徑300 mm 的圓形端板。如圖3 所示，翼型兩端支撐于Y 型支架上，通過(guò)支架根部的接頭與彎刀法蘭接口連接，利用彎刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翼型姿態(tài)控制。

圖3 涂層影響研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental model for studying the influence of coatings

3.1 涂層厚度對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響

圖4 給出了對(duì)應(yīng)不同涂層厚度的升力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)曲線。亞聲速狀態(tài)下（Ma=0.7），升力系數(shù)曲線斜率隨涂層厚度增加變化幅度較小，涂層厚度每增加0.1 mm，升力系數(shù)曲線趨于向上平移0.003；零迎角升力系數(shù)隨著涂層厚度增加而增加；零升阻力系數(shù)隨著涂層厚度增加趨于增大，涂層厚度每增加0.1 mm，零升阻力系數(shù)增大約0.0004?？缏曀贍顟B(tài)下（Ma=0.85），由于激波邊界層干擾等非定?，F(xiàn)象的影響，平均零迎角升力系數(shù)隨著涂層厚度增加而減小，升力系數(shù)曲線斜率變化規(guī)律性相對(duì)較差；而阻力方面，從Ma=0.85 的涂層厚度影響曲線來(lái)看，隨著涂層厚度增加，零升阻力系數(shù)呈減小趨勢(shì)，涂層厚度每增加0.1 mm，零升阻力系數(shù)減小約0.0006，這可能由相對(duì)敏感的激波邊界層干擾或PI 薄膜粘貼質(zhì)量差異導(dǎo)致。綜上，在同時(shí)進(jìn)行測(cè)力的PSP 試驗(yàn)中，應(yīng)盡量控制涂層厚度，考慮到為了在試驗(yàn)中獲得足夠的熒光亮度需要使PSP 涂層達(dá)到一定厚度，建議將涂層厚度控制在0.03 mm 以內(nèi)，以降低涂層厚度對(duì)測(cè)力數(shù)據(jù)的干擾。

圖4 涂層厚度對(duì)升力及阻力系數(shù)的影響Fig.4 Effects of coating thickness on lift coefficient and drag coefficient

3.2 涂層粗糙度對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響

圖5 給出了對(duì)應(yīng)不同涂層粗糙度的升力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)曲線，可以看出涂層粗糙度對(duì)升力特性影響較小，主要影響阻力。亞聲速條件下（Ma=0.7），零升阻力系數(shù)隨表面粗糙度增大而增加，涂層粗糙度每增大1 μm，零升阻力系數(shù)增加約0.00025；跨聲速條件下（Ma=0.85），零升阻力系數(shù)同樣隨表面粗糙度增大而增加，涂層粗糙度每增大1 μm，零升阻力系數(shù)增加約0.0004。PSP 涂層一般具有多孔結(jié)構(gòu)且很薄，通常不會(huì)對(duì)噴涂好的PSP 涂層進(jìn)行表面處理，控制其表面粗糙度存在一定的難度。后續(xù)應(yīng)開(kāi)展此方面的研究，通過(guò)對(duì)涂料配方、施工工藝等進(jìn)行改進(jìn)和提升，改善PSP 涂層表面粗糙度，減小涂層粗糙度對(duì)測(cè)力試驗(yàn)的影響。

圖5 涂層粗糙度對(duì)升力系數(shù)及阻力系數(shù)的影響Fig.5 Effects of coating roughness on the lift coefficient and the drag coefficient

3.3 涂層厚度和粗糙度對(duì)壓力分布數(shù)據(jù)的影響

圖6 給出了NACA0012 翼型中段、迎角0°狀態(tài)下，不同涂層厚度和粗糙度對(duì)應(yīng)的壓力分布數(shù)據(jù)曲線。厚度為0.022 mm 時(shí)，涂層對(duì)測(cè)壓孔結(jié)果基本無(wú)影響；但當(dāng)涂層厚度為0.058 mm 時(shí)，涂層已對(duì)測(cè)壓孔結(jié)果產(chǎn)生影響，且每增加0.05 mm，壓力系數(shù)增量約為0.02～0.04（壓力系數(shù)增量與涂層厚度的增加呈非線性關(guān)系）。在固定涂層厚度條件下，改變粗糙度對(duì)壓力分布曲線的影響較小，可以認(rèn)為粗糙度不會(huì)影響模型表面壓力分布（固定轉(zhuǎn)捩，未考慮粗糙度對(duì)轉(zhuǎn)捩位置的影響）。綜上，在PSP 測(cè)壓試驗(yàn)中建議將涂層厚度控制在0.03 mm 以內(nèi)，但因沒(méi)有對(duì)自由轉(zhuǎn)捩條件下的涂層粗糙度影響進(jìn)行研究，這里無(wú)法給出粗糙度控制建議。

圖6 涂層厚度及粗糙度對(duì)壓力分布的影響Fig.6 Effects of coating thickness and roughness on pressure distribution

4 PIV 及PSP 綜合化應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 風(fēng)洞和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

PIV 及PSP 綜合化應(yīng)用試驗(yàn)在FL-62 風(fēng)洞中應(yīng)用大飛機(jī)標(biāo)模CACM 模型進(jìn)行。FL-62 風(fēng)洞（見(jiàn)圖7）是一座大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為2.4 m×2.4 m×9.6 m。該風(fēng)洞為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的回流式風(fēng)洞，通過(guò)半柔壁噴管預(yù)置噴管型面和精確控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速建立風(fēng)洞流場(chǎng)；試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍為0.15～1.60，風(fēng)洞總壓范圍為0.02～0.40 MPa，總溫范圍為313±20 K，馬赫數(shù)控制精度為±0.001，總壓控制精度為±0.1%，總溫控制精度為±0.5 K。

圖7 FL-62 風(fēng)洞Fig.7 FL-62 wind tunnel

CACM 大展弦比民機(jī)標(biāo)模是在F6 標(biāo)模的基礎(chǔ)上增加平尾，形成機(jī)翼、機(jī)身、平尾組合（W+B+H），模型軸向長(zhǎng)1627.6 mm，翼展長(zhǎng)1600 mm。PIV 及PSP試驗(yàn)區(qū)均位于CACM 標(biāo)模右翼，其中PIV 試驗(yàn)區(qū)為右翼上翼面距機(jī)身對(duì)稱(chēng)面430 mm 的流向截面，PSP試驗(yàn)區(qū)為右翼上翼面，見(jiàn)圖8。

圖8 FL-62 風(fēng)洞中的CACM 模型及試驗(yàn)系統(tǒng)布局Fig.8 CACM model and PIV/PSP test system in FL-62

4.2 PSP 涂料、試驗(yàn)系統(tǒng)及其參數(shù)

試驗(yàn)中使用的PSP 涂料為航空工業(yè)氣動(dòng)院自研單組份1 ms 快響應(yīng)PSP 涂料，模型表面PSP 涂層平均厚度約26 μm，平均粗糙度約1.8 μm。為了抑制PIV 激光片光壁面反射，在機(jī)翼上表面PIV 測(cè)量位置約10 mm 的帶狀區(qū)域噴涂了啞光黑漆。

PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)主要由北京中科思遠(yuǎn)DCQ-PIV-50 型雙腔高頻激光器和美國(guó)VRI Phantom V2012 型高速相機(jī)組成。DCQ-PIV-50 型雙腔高頻激光器單脈沖 能 量 為50 mJ@1kHz，波 長(zhǎng) 為527 nm。Phantom V2012 型高速相機(jī)像素分辨率為1280×800，鏡頭焦距為50 mm，相機(jī)視場(chǎng)大小約為550 mm×340 mm，鏡頭前安裝有527 nm 帶通濾鏡。試驗(yàn)中使用的DEHS示蹤粒子由FL-62 風(fēng)洞配套的PIV 示蹤粒子發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)風(fēng)洞前室注入流場(chǎng)。

PSP 試驗(yàn)系統(tǒng)主要由北京中科思遠(yuǎn)LIF-405-10FC 藍(lán)光激光器和德國(guó)PCO DIMAX CS4 型高速相機(jī)構(gòu)成。LIF-405-10FC 藍(lán)光激光器光功率約為10 W，波長(zhǎng)為405 nm。高速相機(jī)像素分辨率為2016×2016，鏡頭焦距為25 mm，相機(jī)視場(chǎng)大小約為1000 mm×1000 mm，鏡頭前安裝有495 nm 長(zhǎng)通濾鏡。

4.3 試驗(yàn)布局、控制參數(shù)及試驗(yàn)狀態(tài)

PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)高頻激光器安裝于試驗(yàn)段上壁板外側(cè)，通過(guò)上壁板光學(xué)窗口將激光片光沿豎直方向照射到試驗(yàn)區(qū)，高速相機(jī)安裝于風(fēng)洞側(cè)壁光學(xué)窗口處，相機(jī)鏡頭距PIV 片光約770 mm。PSP 試驗(yàn)系統(tǒng)藍(lán)光激光器和高速相機(jī)均安裝于風(fēng)洞上壁板外側(cè)，透過(guò)上壁板光學(xué)窗口照亮機(jī)翼PSP 涂層拍攝PSP 涂層熒光圖像。試驗(yàn)系統(tǒng)布局見(jiàn)圖8。

圖9 給出了PIV 與PSP 綜合化試驗(yàn)控制時(shí)序圖。為了避免PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)與PSP 試驗(yàn)系統(tǒng)相互之間的光學(xué)干擾，在PSP 和PIV 數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)置了一個(gè)極短的時(shí)間間隔，即PIV 和PSP 圖像實(shí)行錯(cuò)時(shí)采集。PIV（圖像對(duì)）及PSP 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率均為1 kHz，其中PIV 激光脈沖時(shí)間間隔為5 μs。試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.6、0.75 時(shí)，模型迎角為?4°、0°、4°；試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.85 時(shí)，模型迎角為?2°、0°、2°。

圖9 PIV/PSP 同步聯(lián)合測(cè)量時(shí)序Fig.9 Schematic diagram of synchronization control timing sequence for PIV/PSP test system

4.4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，結(jié)合模型數(shù)模和標(biāo)記點(diǎn)（以及結(jié)構(gòu)角點(diǎn)）三維坐標(biāo)，基于直接線性變換方法，將獲得的機(jī)翼上表面壓力分布數(shù)據(jù)映射到三維數(shù)模表面。根據(jù)PIV 測(cè)量截面相對(duì)于模型的位置，將PIV測(cè)量數(shù)據(jù)插入到模型三維空間中，獲得三維化機(jī)翼表面壓力分布及PIV 空間流動(dòng)速度場(chǎng)一體化數(shù)據(jù)。

圖10～圖11 給出了Ma= 0.75、迎角α= 4°和Ma=0.85、迎 角α= 2°的 三 個(gè) 連 續(xù) 時(shí) 刻（間 隔1 ms）的PIV 測(cè)量截面瞬態(tài)速度場(chǎng)及機(jī)翼上表面PSP 瞬態(tài)壓力場(chǎng)。從圖中可以看出，PIV 測(cè)量截面瞬態(tài)速度場(chǎng)的改變主要體現(xiàn)在機(jī)翼后緣尾跡處。在尾跡區(qū)可以清晰地觀測(cè)到渦的產(chǎn)生和移動(dòng)，總體上PSP 瞬態(tài)壓力場(chǎng)在機(jī)翼上表面變化不大。拉長(zhǎng)時(shí)間歷程，PIV 瞬態(tài)速度場(chǎng)中激波位置和PSP 瞬態(tài)壓力場(chǎng)中激波位置存在一定程度的前后波動(dòng)，且波動(dòng)趨勢(shì)一致。

圖10 Ma = 0.75、α = 4°時(shí)PSP 瞬態(tài)壓力場(chǎng)及PIV 測(cè)量截面瞬態(tài)速度場(chǎng)Fig.10 Instantaneous velocity field and surface pressure at Ma = 0.75 and α = 4°

圖11 Ma = 0.85、α = 2°時(shí)PSP 瞬態(tài)壓力場(chǎng)及PIV 測(cè)量截面瞬態(tài)速度場(chǎng)Fig.11 Instantaneous velocity field and surface pressure at Ma = 0.85 and α = 2°

圖12～圖14 給出了Ma= 0.6～0.85 時(shí)，各迎角下的PIV 測(cè)量截面時(shí)均速度場(chǎng)與機(jī)翼上表面PSP 時(shí)均壓力場(chǎng)。從PIV 結(jié)果看，同一馬赫數(shù)下，隨著迎角的增大，機(jī)翼上表面空間流動(dòng)速度明顯增加；在Ma=0.75、迎角α= 4°時(shí)，機(jī)翼前緣已形成激波，在Ma=0.85 時(shí)激波位置明顯后移。從PSP 結(jié)果來(lái)看，同一馬赫數(shù)下，隨著迎角的增大，機(jī)翼上表面壓力顯著降低，前緣低壓區(qū)擴(kuò)展，壓力進(jìn)一步降低。綜合來(lái)看，PIV 測(cè)速數(shù)據(jù)顯示的空間流速變化與PSP 測(cè)壓數(shù)據(jù)顯示的模型表面壓力變化完全一致。尤其典型的是，PIV 測(cè)量數(shù)據(jù)中顯示的激波位置與PSP 測(cè)壓數(shù)據(jù)顯示的激波位置吻合，兩種技術(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)相互印證。

圖12 Ma = 0.6 時(shí)PSP 壓力場(chǎng)均值及PIV 測(cè)量截面流場(chǎng)均值Fig.12 Mean velocity field and surface pressure at Ma = 0.6

圖13 Ma = 0.75 時(shí)PSP 壓力場(chǎng)均值及PIV 測(cè)量截面流場(chǎng)時(shí)均均值Fig.13 Mean velocity field and surface pressure at Ma = 0.75

圖14 Ma = 0.85 時(shí)PSP 壓力場(chǎng)均值及PIV 測(cè)量截面流場(chǎng)時(shí)均均值Fig.14 Mean velocity field and surface pressure at Ma = 0.85

5 結(jié) 論

本研究在真實(shí)風(fēng)洞環(huán)境中考察了高頻PIV 試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量精度，研究了PSP 涂層厚度及粗糙度對(duì)測(cè)力測(cè)壓數(shù)據(jù)的影響；使用抗污染能力相對(duì)較強(qiáng)的自研1 ms 快響應(yīng)PSP 涂料和極短時(shí)間間隔的錯(cuò)時(shí)采集措施，實(shí)現(xiàn)了PIV 技術(shù)與PSP 技術(shù)的同步綜合化應(yīng)用，獲得了綜合一體化空間流動(dòng)速度場(chǎng)和模型表面壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)，且兩種技術(shù)數(shù)據(jù)相互印證，驗(yàn)證了PIV 與PSP 技術(shù)綜合應(yīng)用的可行性。但仍有許多問(wèn)題需要開(kāi)展進(jìn)一步研究，比如PIV 示蹤粒子對(duì)于PSP 涂層的影響程度、基于NACA0012 二元翼型研究涂層測(cè)力測(cè)壓影響的適用性等。

包括PIV、PSP 在內(nèi)的先進(jìn)光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)及其與常規(guī)測(cè)力測(cè)壓技術(shù)的綜合應(yīng)用，不僅可以在同一個(gè)試驗(yàn)車(chē)次中一次性獲得多物理場(chǎng)氣動(dòng)特性參數(shù)，大幅提高風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性，而且同步獲得的綜合性數(shù)據(jù)對(duì)于提高數(shù)據(jù)可靠性、氣動(dòng)機(jī)理研究等均具有重要意義。因此，后續(xù)需要開(kāi)展持續(xù)研究，抑制和克服技術(shù)應(yīng)用中的相互干擾。