熒光微絲在低速風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊

(西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

熒光微絲在低速風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊

(西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

熒光微絲法是將含有熒光物質(zhì)的直徑極小的絲線粘貼布置于模型表面，在紫外線照射下呈現(xiàn)出明顯的熒光效果，以此來(lái)顯示模型表面流場(chǎng)的試驗(yàn)方法，能減小絲線對(duì)流場(chǎng)的干擾進(jìn)而更加真實(shí)地反映流場(chǎng)特征?；谠谖鞅惫I(yè)大學(xué)NF-3低速風(fēng)洞中進(jìn)行的某大型民機(jī)增升裝置風(fēng)洞試驗(yàn)，完成了低速風(fēng)洞中使用熒光微絲法進(jìn)行表面流動(dòng)顯示的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括熒光微絲的制成及粘貼方式、光源的選擇及拍攝技術(shù)等。模型機(jī)翼上表面絲線在不同迎角下的流譜清晰直觀、區(qū)別明顯、易于判讀，可較為精細(xì)地反映流經(jīng)翼面的氣流狀態(tài)和范圍，并可清晰反映表面流譜隨模型姿態(tài)角的連續(xù)變化情況。同一工況下與熒光油流流譜相一致，說(shuō)明可較準(zhǔn)確地顯示流場(chǎng)。與測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，熒光微絲流譜結(jié)果與測(cè)力結(jié)果相對(duì)應(yīng)，可以更好地用于流場(chǎng)分析。

熒光微絲；流場(chǎng)；增升裝置；低速風(fēng)洞；流動(dòng)顯示

0 引 言

風(fēng)洞試驗(yàn)中的一些繞流現(xiàn)象十分復(fù)雜，目前理論方法尚不能對(duì)這些復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行完全準(zhǔn)確地描述。數(shù)值模擬技術(shù)盡管在某些飛機(jī)設(shè)計(jì)中已成為主要方法，但由于受多種因素的制約欲完全準(zhǔn)確地處理如此復(fù)雜的真實(shí)流動(dòng)依然十分困難，而這些復(fù)雜流動(dòng)恰恰對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能和操控特性有著重要影響，在型號(hào)研制過(guò)程中往往更需要研究這些復(fù)雜流動(dòng)的流場(chǎng)變化。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，近些年來(lái)，新一代流動(dòng)顯示技術(shù)如粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)、壓敏漆技術(shù)(PSP)等的出現(xiàn)使流場(chǎng)的測(cè)量方法和技術(shù)有了很大的進(jìn)展[2]。但新興流動(dòng)顯示方法大多試驗(yàn)操作較復(fù)雜，后期的數(shù)據(jù)處理工作也具有較高的技術(shù)要求，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這些技術(shù)在大型風(fēng)洞中的使用并不十分成熟，很多仍在研究實(shí)驗(yàn)階段。而傳統(tǒng)的表面流動(dòng)顯示技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)作為風(fēng)洞試驗(yàn)的常規(guī)技術(shù)至今仍在廣泛使用。

常規(guī)絲線法是最早采用的傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)之一，但因其自身的局限性不能在要求較高的流場(chǎng)顯示中使用。熒光微絲顯示技術(shù)是常規(guī)絲線法的改進(jìn)方法，早在1980年就被Boeing公司首次推出，并逐漸在歐美風(fēng)洞試驗(yàn)研究中得以推廣。2001年美國(guó)Mr. Stephen P. Cook與Dr. Jewel Barlow使用熒光微絲技術(shù)顯示F/A-18E某型號(hào)模型的表面流場(chǎng)，試驗(yàn)在NASA的12英尺風(fēng)洞中進(jìn)行，所用絲線直徑0.15mm，長(zhǎng)度30～40mm，試驗(yàn)結(jié)果表明使用該技術(shù)可有效觀察到不同姿態(tài)角下模型表面清晰的流動(dòng)狀態(tài)，使區(qū)域流動(dòng)分離可視化[3-4]。上世紀(jì)90年代，南京航空航天大學(xué)在國(guó)內(nèi)首次對(duì)熒光微絲顯示技術(shù)進(jìn)行了開拓性研究，成功觀察到多種典型機(jī)翼流譜，且熒光微絲所得流譜直觀、容易判讀，能大大節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，最后證明了粘貼絲線對(duì)測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果幾乎無(wú)影響[5-6]。然而由于熒光微絲顯示技術(shù)在實(shí)踐過(guò)程中存在的一些具體技術(shù)和應(yīng)用問(wèn)題，致使其在國(guó)內(nèi)的風(fēng)洞試驗(yàn)中未能得以大范圍應(yīng)用。

為發(fā)展實(shí)用可靠的熒光微絲流動(dòng)顯示技術(shù)以進(jìn)行更為精細(xì)的流場(chǎng)特性分析，本文從絲線的制成及粘貼方法、光源及拍攝技術(shù)等方面對(duì)熒光微絲的具體技術(shù)進(jìn)行了較為全面的研究，并在某大型民機(jī)增升裝置的流動(dòng)顯示及控制試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

1 絲線的制成及粘貼

1.1 絲線的制成

表1 多種類型熒光微絲的直徑及材質(zhì)

圖1 常規(guī)絲線與不同直徑的熒光微絲對(duì)比圖

Fig.1 Comparison between common tuft and fluorescent mini-tufts of different diameters

根據(jù)直徑大小將絲線分為4組，進(jìn)行觀察并照相記錄。分別比較S1-1與S1-2、S2-1與S2-2、S3-1與S3-2、S4-1與S4-2這4組絲線的熒光效果，可觀察到直徑相同的不同材質(zhì)絲線熒光效果基本相同，說(shuō)明絲線的熒光效果與材質(zhì)(棉或滌綸)無(wú)關(guān)。圖1中左起紅色絲線為常規(guī)絲線，其余4種為不同直徑的棉質(zhì)熒光微絲(擺放順序與表1相對(duì)應(yīng))，分別觀察在普通光照下與紫外燈照射下的視覺效果。不難看出與常規(guī)絲線相比，熒光微絲在紫外燈照射下視覺直徑明顯增大，且直徑越大熒光效果越明顯。在研究材質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速較低時(shí)相同直徑的棉質(zhì)比滌綸更容易隨氣流擺動(dòng)，這是因?yàn)闇炀]絲線材料本身的彈性模數(shù)較大，在絲線長(zhǎng)度較短時(shí)顯現(xiàn)剛度較大、柔軟度不夠[7]。根據(jù)以上分析考慮熒光效果、材質(zhì)、直徑幾個(gè)主要影響因素，認(rèn)為S3-1最合適。

1.2 粘貼前處理

粘貼前要對(duì)熒光微絲進(jìn)行一些必要的處理：利用柔軟劑對(duì)絲線進(jìn)行柔化處理，進(jìn)一步增強(qiáng)絲線的柔軟度，并能使絲線表面變得更加順滑，減少出現(xiàn)抽絲及相鄰絲線相互纏繞的情況；通過(guò)抗靜電處理，防止試驗(yàn)中絲線與氣流摩擦?xí)r產(chǎn)生靜電，避免絲線相互吸附或吸附于模型表面。

1.3 粘貼技術(shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫱ǔ］^光潔，而固體粘貼劑和液體粘貼劑極易影響模型表面的粗糙度甚至改變模型的局部外形。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)嘗試，最終采用特制的厚度僅為10μm、寬度為10mm的超薄膠帶粘貼絲線，其表面光潔度與模型表面基本一致，能夠較好保持模型的表面精度，且由于其厚度遠(yuǎn)小于邊界層厚度，對(duì)流場(chǎng)的影響可以忽略。

對(duì)于給定的試驗(yàn)條件，不同規(guī)格的絲線均存在其最小絲線長(zhǎng)度，試驗(yàn)中需要根據(jù)具體試驗(yàn)條件確定絲線的預(yù)留擺動(dòng)長(zhǎng)度。經(jīng)風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)證明，前文中S3-1號(hào)絲線其粘貼后預(yù)留擺動(dòng)長(zhǎng)度一般不可小于30mm。粘貼的密度需視模型尺寸大小以及所要觀察的區(qū)域流場(chǎng)特征而定，若只關(guān)注模型大范圍內(nèi)的一個(gè)整體流態(tài)則絲線可貼布較稀，而對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域則需絲線盡可能短、粘貼密度盡量大一些。

2 光源及拍攝技術(shù)

2.1 光源的選擇

基于上述討論,本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)用四頻帶帶通濾波器。濾波器基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.33,厚度為0.8 mm,機(jī)械尺寸小于21 mm×32 mm,大約為0.18λg×0.13λg,其中λg表示濾波器第一通帶中心頻率處的基板上的導(dǎo)波波長(zhǎng)。

利用紫外光源照射絲線發(fā)出熒光，要求紫外線波長(zhǎng)與絲線所含的熒光物質(zhì)的吸收波峰相匹配。研究表明熒光物質(zhì)在長(zhǎng)波紫外線(波長(zhǎng)為320～400nm)照射下會(huì)發(fā)出一定的可見光，其中波長(zhǎng)為365和395nm紫外光所產(chǎn)生的熒光效果較其它更明顯。通過(guò)表2中幾種不同的紫外線燈，研究主波長(zhǎng)及功率對(duì)熒光效果的影響。

表2 幾種不同紫外線燈的主波長(zhǎng)及功率

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)G1-1與G1-2號(hào)紫外燈功率很大，但產(chǎn)生的熒光效果并不理想，且對(duì)散熱技術(shù)要求較高；波長(zhǎng)為395nm的G2-1、G2-2、G2-3熒光效果明顯好于波長(zhǎng)為365nm的G1-3、G1-4；值得注意的是G1-3與G2-1相比較，功率大的G1-3其熒光效果卻不如G2-1明顯。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：紫外光源功率過(guò)大時(shí)所含可見光過(guò)多，嚴(yán)重影響所觀察的熒光效果，如要使用需進(jìn)行可見光過(guò)濾；紫外燈的主波長(zhǎng)比功率對(duì)熒光效果的影響更顯著；提高熒光微絲的發(fā)光效率及采用匹配波長(zhǎng)的紫外線，可降低所使用光源的功率。與本次試驗(yàn)所選熒光物質(zhì)相匹配的紫外光，波長(zhǎng)395nm比365nm更合適；功率為100W的G2-3號(hào)熒光效果最佳，但因其功率過(guò)大、紫外線對(duì)人體損傷嚴(yán)重不建議使用。因此，G2-1、G2-2適合用于試驗(yàn)。

2.2 拍攝技術(shù)

為增強(qiáng)拍攝效果，使用高清數(shù)碼相機(jī)和高清數(shù)碼錄像機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)顯示的拍攝，研究各項(xiàng)參數(shù)對(duì)拍攝效果的影響。由于紫外光源發(fā)出的光線中含有較多的紫光，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熒光加以遮飾，所以首先要調(diào)節(jié)色溫過(guò)濾大量的紫光，光圈、曝光時(shí)間等要根據(jù)具體試驗(yàn)條件及所觀察流動(dòng)狀態(tài)確定。試驗(yàn)時(shí)在風(fēng)洞外進(jìn)行拍攝，保證照相機(jī)與紫外光源入射方向呈銳角，以免出現(xiàn)反光影響拍攝效果，并隨模型迎角的改變進(jìn)一步調(diào)整光源入射方向和拍攝角度。周圍環(huán)境不宜太亮以免影響觀察和記錄，拍攝時(shí)關(guān)掉洞內(nèi)照明燈，并用遮光布阻擋洞外可見光的進(jìn)入。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)風(fēng)洞及模型狀態(tài)

試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)NF-3低速風(fēng)洞三元試驗(yàn)段中進(jìn)行，試驗(yàn)段橫截面長(zhǎng)12m、寬3.5m、高2.5m，最大風(fēng)速可達(dá)90m/s。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟炒笮兔駲C(jī)半模，模型縮比為1∶10。為研究增升裝置[8]的復(fù)雜幾何構(gòu)型對(duì)該半模翼面流場(chǎng)的影響，進(jìn)行了大量的流動(dòng)顯示試驗(yàn)。試驗(yàn)中模型機(jī)翼分別為巡航構(gòu)型和著陸構(gòu)型，并帶有短艙和導(dǎo)流片，試驗(yàn)雷諾數(shù)Re=1.7×106。機(jī)身下方插入邊界層墊塊以減小模型和風(fēng)洞壁面邊界層互相干擾，墊塊高度55mm。

3.2 不同流場(chǎng)的熒光微絲流譜顯示

圖2為不同迎角時(shí)模型巡航基準(zhǔn)狀態(tài)下機(jī)翼上表面外側(cè)接近翼尖處的流場(chǎng)熒光微絲流譜圖?，F(xiàn)觀察各圖中同一區(qū)域絲線的狀態(tài)(圖中用矩形區(qū)域標(biāo)注出，其中展向3條熒光線分別對(duì)應(yīng)30%、50%和70%弦長(zhǎng))。圖中每一根絲線的流動(dòng)狀態(tài)清晰可辨，迎角為0°時(shí)絲線順氣流緊貼模型表面，表明為附著流；迎角為12°時(shí)所有絲線均呈現(xiàn)“倒鉤狀”，說(shuō)明發(fā)生了嚴(yán)重分離；迎角為10°時(shí)除大部分“倒鉤狀”絲線還有少數(shù)微絲尾部出現(xiàn)些許模糊，說(shuō)明此處有輕微分離[5-6]。由圖中可以看出流動(dòng)附著、失穩(wěn)和分離狀態(tài)區(qū)別清晰、易于判讀，同時(shí)各種流態(tài)分界明顯，可讀出各種狀態(tài)的大致范圍(如3.4節(jié))，易于進(jìn)行流場(chǎng)的分析并和測(cè)力、測(cè)壓結(jié)果進(jìn)行比較。

3.3 與熒光油流試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證熒光微絲能否真實(shí)顯示流場(chǎng)，分別采用熒光微絲法和熒光油流法顯示模型巡航構(gòu)型時(shí)的流譜，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。由攝像結(jié)果可清楚觀察到機(jī)翼上表面翼尖段的流動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)模型迎角為9°時(shí)，如圖3(a)所示，機(jī)翼外側(cè)區(qū)域氣流幾乎全部為附著流，只有機(jī)翼后緣出現(xiàn)輕微分離；當(dāng)迎角為10°時(shí)翼面開始出現(xiàn)大面積的分離，隨著迎角的增大分離區(qū)逐漸擴(kuò)大，并且分離越來(lái)越劇烈；迎角為11°時(shí)如圖3(b)所示，熒光微絲顯示的大范圍分離區(qū)恰與熒光油流下方?jīng)]有明顯油跡線以及上方的油積區(qū)相對(duì)應(yīng)。說(shuō)明熒光微絲顯示結(jié)果與熒光油流結(jié)果一致，表明熒光微絲技術(shù)可較準(zhǔn)確顯示流場(chǎng)信息。

3.4 與風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為考查熒光微絲顯示結(jié)果與測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。模型為著陸構(gòu)型，使用角度塊調(diào)整前緣縫翼與固定翼之間的角度，其中靠近機(jī)身內(nèi)側(cè)的角度塊分別安裝在不同位置A、B，如圖4(a)、5(a)所示，將前緣襟翼固定在相同的角度。在2種狀態(tài)下分別進(jìn)行了流動(dòng)顯示和測(cè)力試驗(yàn)，分析角度塊位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。圖6為進(jìn)行阻塞和升力效應(yīng)修正后的測(cè)力結(jié)果，為說(shuō)明方便，流動(dòng)顯示試驗(yàn)結(jié)果也統(tǒng)一使用修正角度。

熒光微絲試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。圖4中角度塊安裝在位置A，迎角為12°時(shí)除翼根接近后緣處有不明顯的輕微抖動(dòng)，其它位置幾乎均為附著流；迎角為13°時(shí)局部區(qū)域的絲線開始呈現(xiàn)出明顯的擺動(dòng)，甚至出現(xiàn)少許“倒鉤狀”，表明該區(qū)域出現(xiàn)局部分離，經(jīng)測(cè)量約占圖中粘貼絲線區(qū)域面積的9.8%；迎角為14°時(shí)分離區(qū)擴(kuò)大至約19.8%。由圖6的升力曲線可以看出，由于表面分離區(qū)的出現(xiàn)，在迎角12°左右即出現(xiàn)失速，但是由于分離區(qū)變化緩慢未造成升力系數(shù)的劇烈變化。角度塊安裝在位置B時(shí)，圖5顯示直到迎角為17°時(shí)機(jī)翼的翼根處才出現(xiàn)了輕微的流動(dòng)分離特征，迎角為18°時(shí)很快便有約51.5%的區(qū)域出現(xiàn)分離，迎角為19°時(shí)分離區(qū)繼續(xù)增大至69.5%。由升力曲線可以看出，當(dāng)內(nèi)側(cè)角度塊向內(nèi)移到B位置時(shí)，失速迎角為17°，之后升力系數(shù)有突然的變化。

圖2 機(jī)翼上表面外側(cè)熒光微絲流譜(巡航構(gòu)型、Re=1.7×106)

圖3 機(jī)翼上表面外側(cè)熒光微絲與熒光油流顯示流譜對(duì)比(巡航構(gòu)型、Re=1.7×106)

Fig.3 The contrast between fluorescent mini-tufts flow patterns and fluorescent oil flow patterns near the wingtip on the upper surface of the wing (cruise configuration、Re=1.7×106)

圖4 機(jī)翼上表面內(nèi)側(cè)熒光微絲顯示流譜(著陸構(gòu)型、角度塊在A位置、Re=1.7×106)

Fig.4 The fluorescent mini-tufts flow patterns near the root section on the upper surface of the wing (landing configuration、the angle block in theAposition、Re=1.7×106)

圖5 機(jī)翼上表面內(nèi)側(cè)熒光微絲顯示流譜(著陸構(gòu)型、角度塊在B位置、Re=1.7×106)

Fig.5 The fluorescent mini-tufts flow patterns near the root section on the upper surface of the wing (landing configuration、the angle block in theBposition、Re=1.7×106)

圖6 模型角度塊對(duì)升力曲線的影響(著陸構(gòu)型、Re=1.7×106)

Fig.6 The influence of angle blocks on lift curves (landing configuration、Re=1.7×106)

通過(guò)上面的分析可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒嵌葔K的位置對(duì)流動(dòng)影響較大，選擇角度塊的合適位置可對(duì)翼面分離起到延緩作用，從而增大失速迎角。同時(shí)可以看出熒光微絲流譜和測(cè)力結(jié)果相對(duì)應(yīng)，并很好地解釋了測(cè)力結(jié)果，為試驗(yàn)結(jié)果的分析提供了重要依據(jù)。

4 結(jié) 論

進(jìn)行了熒光微絲法在大型低速風(fēng)洞中應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究，包括絲線的制作、粘貼方法的研究、光源的選擇、照相攝像的方法等。研究結(jié)果表明：

(1) 所發(fā)展的方法效果好、效率高、結(jié)果精確，可以有效地應(yīng)用于大型風(fēng)洞的較高精度要求的表面流動(dòng)顯示試驗(yàn)中。

(2) 不同迎角下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，模型機(jī)翼上表面絲線的流譜清晰直觀、區(qū)別明顯，不同流動(dòng)狀態(tài)易于判讀，并可以進(jìn)行各種流動(dòng)狀態(tài)范圍的較精細(xì)劃分。

(3) 與熒光油流試驗(yàn)對(duì)比，同一工況下流譜較一致，說(shuō)明熒光微絲技術(shù)可較準(zhǔn)確顯示流場(chǎng)。與測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)顯示試驗(yàn)結(jié)果和測(cè)力結(jié)果相對(duì)應(yīng)，并很好地解釋了測(cè)力結(jié)果，為試驗(yàn)結(jié)果分析提供了重要依據(jù)。

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(編輯：李金勇)

Key technologies study of fluorescent mini-tuft application in the low speed wind tunnel tests

Hui Zenghong, Hou Jinyu, Deng Lei

(National key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Fluorescent mini-tuft method is a surface flow visualization technology using mini-tuft with fluorescent material to visualize the flow characteristics under the UV light of specific wavelength. This method can reduce the disturbance of the tufts to the flow and give more accurate flow information. In this paper, the key technologies (including the making and sticking method of the mini-tufts, choosing the wavelength of UV lights and taking photos, etc.) of fluorescent mini-tuft method are investigated based on a high-lift device wind tunnel test of a certain civil aircraft in NF-3 low speed wind tunnel of NWPU. The results show that, (1) the flow patterns at different angles of attack are clear and intuitive, and the developments of the flow states with the angle of attack are shown, (2) the flow state and range can be easily read in detail from the flow patterns, (3) compared with the fluorescent oil flow tests, the results are relatively similar under the same experimental conditions. It shows that the fluorescent mini-tuft method can exactly display the flow field. The flow visualization results agree well with the force measurement experiments and thus can interpret the force measurement results.

fluorescent mini-tuft; flow field; high-lift device; low speed wind tunnel; flow visualization

1672-9897(2015)01-0092-05

10.11729/syltlx20130117

2014-01-17;

2014-04-21

HuiZH,HouJY,DengL.Keytechnologiesstudyoffluorescentmini-tuftapplicationinthelowspeedwindtunneltests.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 92-96. 惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊. 熒光微絲在低速風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(1): 92-96.

V211.753

A

惠增宏(1969-)，男，陜西富平人，博士，高級(jí)工程師。研究方向：流體力學(xué)測(cè)量與控制。通信地址：陜西省西安市西北工業(yè)大學(xué)111信箱(710072)。E-mail: huizh@nwpu.edu.cn