壓敏涂料技術(shù)在風洞中的應用研究

張永存,陳柳生,閻 莉,鄧學鎣,程厚梅

(1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院,沈陽 110034;2.北京航空航天大學,北京 100191;3.中國科學院化學研究所,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)展起來的一項技術(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,它在特定波長的激發(fā)光照射下,可發(fā)射出熒光。熒光強度場與壓力場強有關(guān),由高分辨率的數(shù)字式CCD攝像頭攝取模型表面熒光強度的圖像,通過計算機圖像處理,可得到模型表面壓力分布。到目前為止,世界航空技術(shù)先進的國家風洞中都進行了該項技術(shù)研究,并配置了相應的測試設(shè)備,已經(jīng)提供工程應用(在來流速度為亞、跨、超聲速定常流時,已經(jīng)達到與常規(guī)測壓孔獲得的壓力分布的比較值為|Δ Cp|=0.05～0.02,如給定一個測壓點進行修正可達到|Δ Cp|＜0.02的精準度水平),從目前的發(fā)展趨勢上看,未來PSP技術(shù)將很有可能替代常規(guī)開孔壓力測量試驗技術(shù),而且可以部分替代常規(guī)天平測力試驗技術(shù)。

PSP技術(shù)的優(yōu)點在于無需單獨另外加工復雜的測壓模型,就可得到壓力分布數(shù)據(jù),而對一些薄翼及無法開孔的部件,只要光能照到,則可得到壓力數(shù)據(jù)。對于型號設(shè)計,這些試驗是非常有用的。而且是一種準非接觸連續(xù)的壓力分布測量技術(shù),積分可得到全模型載荷。由于其模型表面熒光強度的變化對應于氣動載荷分布變化,是實時的流譜,這些結(jié)果都具有很高的工程應用價值。

由于國外已經(jīng)有關(guān)于PSP技術(shù)的專著發(fā)表[1-2],因此作者較為詳細地介紹中國航空工業(yè)空氣動力研究院與中國科學院化學研究所對使用國產(chǎn)PSP的PSP技術(shù)的應用研究工作。

1 壓敏涂料系統(tǒng)試驗設(shè)備

壓敏涂料系統(tǒng)主要由壓敏涂料、激發(fā)光源系統(tǒng)、校準系統(tǒng)、實驗圖像采集系統(tǒng)、實驗圖像處理系統(tǒng)等5部分組成(見圖1)。

圖1 PSP技術(shù)風洞試驗系統(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)。粘性層的作用是確保活性層粘接到模型表面的屏蔽層。活性層主要由兩種成份組成：一種是對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。

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

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

樣片校準公式為：

式中：χji為校準系數(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為參考樣片在無氧分子滲透作用時產(chǎn)生的熒光強度,它只與激發(fā)光源的光強有關(guān),與作用于PSP的溫度和空氣壓力無關(guān);I為對應作用于PSP的溫度和空氣壓力時,PSP發(fā)射的熒光強度。

1.3 PSP技術(shù)的自動化風洞試驗方案

PSP技術(shù)應用于暫沖式生產(chǎn)型高速風洞時,遇到的主要問題有：

(1)風洞試驗流場不可能較長時間的穩(wěn)定,容易造成PSP技術(shù)進行多次試驗圖像采集時,因試驗流場不同導致試驗精度不高。另外,PSP技術(shù)與風洞常規(guī)測壓孔技術(shù)試驗數(shù)據(jù)采集時間的不同步,是造成兩者試驗結(jié)果在比較時的偏差的主要因素之一;

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

為解決上述問題,研制與開發(fā)了PSP技術(shù)風洞試驗控制軟件,實現(xiàn)了PSP技術(shù)風洞試驗的自動化。其控制流程見圖2。

圖2 PSP技術(shù)風洞試驗流程圖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,它提供了測量模型所有可視表面壓力分布和計算氣動載荷的能力,其性能決定了PSP技術(shù)的應用范圍。

作者已經(jīng)完成了適應現(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涂料在照射光波長為320～350nm的照射下,其發(fā)射光波長為 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)兩項指標優(yōu)于俄羅斯產(chǎn)品LPS-L4涂料。

(1)壓力靈敏度

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

由于PSP技術(shù)系絕對壓力測量,其PSP壓力靈敏度不僅僅與測量區(qū)域內(nèi)模型表面壓力變化量有關(guān),而且與試驗區(qū)域當?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,PSP熒光強度的輸出量小于壓力為0.06MPa區(qū)域熒光強度的輸出量。當高速風洞試驗時,隨著試驗速度的增加,試驗段的靜壓在降低,試驗模型表面相同的壓力變化,將使PSP輸出的熒光強度有較大的改變。這是PSP技術(shù)高速度條件下的試驗結(jié)果好于較低速度試驗結(jié)果的主要原因之一。

圖3 國產(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)指標為：I0/I對P的校準曲線為直線,其線性相關(guān)系數(shù)可達到0.99(見圖4)。它的壓力靈敏度為105,比俄羅斯LPS-L4涂料高50%,并可按試驗條件不同進行調(diào)整(見圖3);

(2)溫度系數(shù)

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

在高速風洞試驗時,模型表面的溫度在1分多鐘的時間內(nèi),從沒吹風時的5℃變化到-17.3℃,并且翼尖尖與翼根的溫度可相差8℃。在風洞試驗時,進行模型表面溫度分布的測量,其本身就是一項非常復雜的技術(shù)問題。由于具有壓力傳感器功能的PSP是直接裸露在風洞氣流中,所以研制溫度系數(shù)小的PSP有利于提高PSP技術(shù)試驗結(jié)果的精準度水平。

圖4 在t=20℃時樣片壓力校準曲線Fig.4 Pressure calibration curve of the sample at t=20℃

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

圖5 在P=0.1MPa時樣片溫度校準曲線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)精準度研究

PSP技術(shù)的試驗結(jié)果精準度技術(shù)指標的好壞是該技術(shù)能否應用于生產(chǎn)型風洞試驗的先決條件。雖然,常規(guī)測壓孔技術(shù)本身存在著測壓孔對模型表面真實流動狀態(tài)的影響,只是完成了相對于測壓孔口面積的氣流平均壓力值的測量,測壓孔直徑不可能很小,而且受模型制造技術(shù)的限制,模型表面的測壓孔無法完全垂直于當?shù)氐奈锩妗ｋm然存在許多無法克服的技術(shù)問題,但是,該技術(shù)仍然是目前風洞最可靠的測試技術(shù)之一。所以,對使用國產(chǎn)PSP的PSP技術(shù)的驗證方法為：

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

(2)同時完成PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)試驗結(jié)果的采集,利用二種試驗方法獲得的數(shù)據(jù)對比,完成PSP技術(shù)的準度研究。

使用圖7所示的簡化飛機全機測壓模型在FL-1風洞中完成了PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)的對比試驗。

圖7 簡化全機測壓模型Fig.7 Airplane model diagram

PSP技術(shù)4次采集試驗結(jié)果的精準度|Δ Cp|=0.035(見圖8),達到了國外同類技術(shù)的精準度水平。

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

主要的試驗設(shè)備為：試驗圖像的采集由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)指標為：平均激光輸出功率240mW,輸出波長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)應用研究

3.2.1 使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)對模型機翼壓力的測量

由于風洞氣流溫度的變化對國產(chǎn)FOP-1涂料性能的影響很小,因此作者使用下述試驗方法完成PSP技術(shù)對模型表面壓力的測量及試驗數(shù)據(jù)的處理與修正：

(1)完成風洞總溫的測量;

(2)根據(jù)測量的風洞總溫值計算PSP技術(shù)的試驗結(jié)果;

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

(4)將其余測量區(qū)域的PSP技術(shù)測量結(jié)果均加上Δ Cp進行數(shù)據(jù)修正,給出PSP技術(shù)最終的試驗結(jié)果。

圖7所示的試驗模型右機翼測壓孔及測壓剖面的分布見圖9。

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

試驗結(jié)果表明：

(1)PSP技術(shù)的試驗結(jié)果與常規(guī)測壓孔技術(shù)的試驗結(jié)果符合得較好(見圖10);

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

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

在風洞試驗中,通常是用常規(guī)壓力孔試驗技術(shù)、部件測力和鉸鏈力矩試驗技術(shù)完成飛機的前緣襟翼、副翼、襟翼、平尾、立尾等部件氣動性能的測量。在這些測量技術(shù)中,目前存在的主要技術(shù)難點是：

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

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

(3)在風洞進行部件測力試驗時,存在試驗模型與全機模型的幾何相似問題;

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

使用國產(chǎn)FOP-1涂料的PSP技術(shù)在FL-2風洞中的某飛機模型前緣襟翼、后緣襟翼、副翼等部件上完成了壓力測量試驗技術(shù)研究。

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

圖11 在飛機前緣襟翼處,使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)壓力測量結(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)在機翼前緣襟翼x/c=0～0.2處,PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)的試驗結(jié)果符合得較好(見圖11);

(2)在機翼副翼、后緣襟翼x/c=0.8～1.0處,PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)的試驗結(jié)果符合得較好(見圖12、13)。

圖12 在飛機后緣襟翼處,使用 FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)壓力測量結(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 在飛機副翼處,使用FOP-1涂料的PSP技術(shù)與常規(guī)測壓孔技術(shù)壓力測量結(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)型風洞實驗。對于跨聲速試驗,使用該涂料的PSP技術(shù)試驗結(jié)果的精準度達到了工程應用的水平。

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,在使用兩臺數(shù)字式CCD攝像頭同時完成試驗圖像的采集時,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,可有效地消除激發(fā)光源的不穩(wěn)定對試驗結(jié)果的影響。因此,可選用閃光燈作為激發(fā)光源。因閃光燈的工作時間很短,可有效地減少風洞流場的不穩(wěn)定、模型振動等因素對試驗結(jié)果的影響。所以,對雙分量PSP的研制與開發(fā)、使用雙分量PSP的PSP技術(shù)的應用研究工作將是今后研究工作的重點。

致謝：

本項目在研究過程中,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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