光学压力敏感涂料测量技术及其 在内流场的应用

介绍了应用基于发光强度的全域压力测量方法进行叶片表面压力分布的一系列实验结果.在自主建立光学压力测量系统和自主研发国产压力敏感涂料的基础上,对高亚声速叶栅风洞出口处大弯度孤立叶片吸力面和对转压气机实验平台出口整流叶片吸力面的压力分布进行了测量,并采用传统电子静压扫描装置在高亚声速叶栅风洞中进行了同步测量.光学压力测量与电子压力扫描结果的对比表明所建立的光学压力测量系统可用于内流场测量,其精度达到了工程应用水平.      

光学压力敏感涂料测量技术及其在内流场应用

本文介绍了应用基于发光强度的全域压力测量方法进行叶片表面压力分布的一系列实验结果。在自主建立光学压力测量系统和自主研发国产压力敏感涂料的基础上，对高亚音速叶栅风洞出口处大弯度孤立叶片吸力面和对转压气机实验平台出口整流叶片吸力面的压力分布进行了测量，并采用传统电子静压扫描装置在高亚音速叶栅风洞中进行了同步测量。光学压力测量与电子压力扫描结果的对比表明所建立的光学压力测量系统可用于内流场测量，其精度达到了工程应用水平。     

压力敏感涂料及其测量技术

压力敏感涂料(PSP)测量技术是20世纪80年代发展起来的光学压力测量技术,以其非接触测量方式、真实反映实验物体表面连续的压力分布变化、高的空间分辨率及其节约时间与良好的经济效益等突出优势,在国外得到了广泛的工程应用。本文基于空气动力实验中压力测量的基本要求, 概括地介绍了发光氧猝灭的PSP的工作原理、其测量技术的特点和技术发展现状,阐述了PSP的基本组成、分类标准及种类,对比分析了基于光强和基于寿命的测量方法在实验测量中的优势与不足,并就未来PSP及其测量技术的发展前景进行了讨论。介绍了近十年来国内应用PSP测量技术在低速、高速风洞中对机翼表面压力分布和单叶片在高亚声速平面叶栅风洞和对转压气机出口导流叶片吸力面的实验测量,与测压孔测量结果比较,均取得满意的工程应用效果。     

压气机转子叶片表面动态压力测量的探索

将一个Kulite动态压力传感器埋入轴流压气机转子叶片50%叶高、25%轴向弦长位置,对该点吸力面动态压力进行了试验测量,并与CFD(计算流体动力学)数值模拟结果进行了对比,为今后进一步测量转子表面静压分布和动态压力脉动积累了丰富的经验.试验中数据采集系统固定在压气机转轴上随其一起旋转,可以对压力信号直接进行采集、放大并存储.结果表明:①叶片表面静压试验测量值与计算结果吻合较好,说明测量结果是可信的;②可以成功地捕捉到转子叶片表面的非定常压力脉动,测量点非定常压力脉动的周期与转子转动周期相同.      

压气机转子叶片表面动态压力测量的探索研究

将一个Kulite动态压力传感器埋入轴流压气机转子叶片50%叶高、25%轴向弦长位置,对该点吸力面动态压力进行了实验测量,并与CFD数值模拟结果进行了对比,为今后进一步测量转子表面静压分布和动态压力脉动积累了丰富的经验。实验中数据采集系统固定在压气机转轴上随其一起旋转,可以对压力信号直接进行采集、放大并存储。结果表明：①叶片表面静压实验测量值与计算结果吻合较好,说明测量结果是可信的;②可以成功地捕捉到转子叶片表面的非定常压力脉动,测量点非定常压力脉动的周期与转子转动周期相同。     

大弯角扩压叶栅吸力面全域压力分布的PSP实验

基于自行组建的PSP(pressure sensitive paint)测量系统,采用中国科学院化学研究所PSP,实验测量了来流马赫数分别为0.4和0.5时大弯角扩压叶栅叶片吸力面全域压力分布,并与传统测压技术所得结果进行了比较.研究结果表明:①采用PSP技术测量可以获得叶片表面全域的连续压力分布,具有空间分布率高、定量测量的特点;②叶片中部PSP测量压力值与压力扫描阀结果吻合得非常好,但受到叶片吸力面曲率的影响,叶片前缘与尾缘附近的误差较大,最大误差为4.48%;③随着来流速度的提高,PSP与压力扫描阀之间的误差逐渐减小.      

国产压力敏感涂料在高速风洞中的应用

为降低压力敏感涂料（PSP）的使用成本，减少模型的准备周期，我们进行了压力敏感涂料的国产化开发与研制。通过第一期在飞机模型机翼表面采用国产压力敏感涂料的光学压力测量（OPM）与常规压力孔压力测量试验结果的比较表明：我们已经具备独立进行开发与研制压力敏感涂料的能力。     

跨声速叶栅叶片快速响应PSP测量研究

开展了快速响应PSP技术在高速叶栅中的非定常测量应用研究。使用压力-温度校准系统与激波管对FIB类快速响应PSP涂料的温度压力和时间响应特性进行了测量,结果表明该类涂料具有较低的温度敏感度和亚毫秒量级的响应时间。在高速叶栅试验中,采用吹吸装置在叶片表面形成了主动控制的非定常流场,利用快速响应PSP与动态压力传感器进行同步测量,同时利用红外技术对叶片表面温度进行监测。快速响应PSP的测量结果与压力传感器比较,在叶片表面平均场、脉动场、单点时频等方面具有很好的一致性,同时快速响应PSP技术可以动态地显示激波位置和分离区域的变化。     

基于PSP技术的压气机跨声叶栅表面压力场测量

为测量压气机跨声叶栅表面压力场,选择美国ISSI公司的Binary FIB PSP(压敏涂料),并根据涂料和跨声叶栅合理搭配相机和光源系统,对涂料进行标定。设计了两种不同的光路布局和拍照方案,获取了吸力面与压力面在多个攻角和马赫数下的试验数据。结果表明:对于压气机叶栅试验,打光和相机采取侧向布局效果更好。在0°攻角下,吸力面的吸力峰靠近前缘;随着攻角的变大,吸力面气流在靠近前缘很短距离完成加速和静压下降过程,然后沿弦长方向开始减速,压力面气流在叶片前缘附近很短距离内完成减速增压过程。当马赫数达到0.8时,叶栅通道出现了激波;随着进口马赫数的提高,叶片吸力面和压力面表面的静压值变小。     

基于内流场PSP测量技术的图像后处理

由于在测量模型表面压力方面具有独特的优势,光学压敏测量技术（Pressure-Sensitive Paint Technique,PSP）近年来受到了广泛关注。然而,由于内流场流动的复杂性及狭小的几何空间,内流场的PSP压力测量实验难度非常大,影响了PSP的测量精度与显示效果。基于对光学压敏测量技术测量原理的深刻理解,结合图像对准与三维重构理论,探究并优化相应的图像处理流程,自主发展了PSP图像的三维重构程序。以某平面叶栅叶片PSP实验图像为研究对象,按照提出的优化图像处理流程,提高了叶片表面PSP测压的精度,实现了叶片表面压力场的三维重现,并与静压孔测量结果进行了比对。结果表明：所发展的PSP图像处理方法及流程,是现有测量条件下提高PSP测量精度的有效措施之一,且经过叶片表面压力场的三维重现,便于获取图像上的压力信息。     

毫米级平面叶栅的PSP测量

建立了一种新型的非接触式压敏涂料（Pressure Sensitive Paint,PSP）测压系统,设计了一套可拆卸式毫米级平面叶栅实验段,首次应用PSP测压技术测量了有／无叶尖间隙毫米级叶栅叶背表面静压分布。结果表明：由于存在叶尖间隙,叶盆处高压气体通过间隙泄漏流入叶背,使叶背叶尖处压力明显大于叶根处;与无叶尖间隙相比,有间隙时泄漏对叶背表面压力的影响约占叶高1／3,叶背底端受泄漏的影响较小。     

轴流压气机转子叶片表面静压分布实验

在低速轴流压气机转子叶片吸力面50%叶高沿轴向埋入5个Kulite动态压力传感器,并采用固定在压气机转轴上一种新型可存储的数据采集器记录数据,对近设计点和2 kr/min转速不同流量工况条件下转子叶片表面静压进行了实验测量,并与CFD数值模拟结果进行了对比。结果表明,除近失速点外,叶片表面静压实验测量值与计算结果吻合较好,说明所采用的的测量方法是成功的,测量结果是可靠的;在近失速工况,实验值与计算结果差值较大,主要是由试验台振动所引起的实验误差和CFD数值计算对近失速点工况流场模拟得不够准确所导致的。     

局部规则涂层对气冷叶片测温影响的数值研究

为研究微细热电偶测温安装涂层对其测量精度的影响机理,基于气固耦合传热(CHT)方法,建立了接近真实气膜冷却叶片的三维模型,选择SST(shear stress transport) γ -θ湍流模型,对未喷涂氧化铝涂层与在叶片吸力面前缘、压力面前缘、压力面尾缘处喷涂氧化铝涂层后的气冷叶片表面温度进行数值研究。无涂层工况的数值计算结果与实验结果误差控制在5%以下,验证了数值方法的有效性。研究结果表明:涂层对近壁面燃气的流动特性产生显著影响;三种有涂层工况的数值计算结果表明,压力面前缘处比吸力面前缘处温差波幅小,且比压力面尾缘处测温误差降低35.5%;在压力面及吸力面前缘处,最佳测温区域为涂层中部至下端之间的部位,而在压力面尾缘处,最佳测温区域尽量选择靠近涂层上端部位。      

局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响

实验研究了低速条件下局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响.采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对叶片表面静压进行了测量,详细分析了局部吸气方式、吸气量和吸气位置对叶栅出口截面总压损失和负荷能力的影响.结果表明,采用吸力面两端吸气和中间吸气方式均能够有效吸除叶栅流道内低能流体,增加叶栅的气动负荷,从而提高叶栅的气动性能;采用吸力面两端吸气对叶栅气动性能的改善要优于吸力面中间吸气;叶栅气动性能的改善主要在靠近叶展中部区域,而对角区核心区和端部区域的影响并不明显.      

吸附式亚声速压气机叶栅气动性能实验及分析

以亚声速平面叶栅风洞为实验平台,在不同来流马赫数、攻角和吸气量状态下,测试吸附式压气机叶栅吸力面、压力面表面压力分布和叶栅尾缘等参数.结果表明,附面层吸除能促进附面层减薄,减少分离损失,有助于降低叶栅总压损失,提高气流折转能力,改善叶栅气动性能.合适吸气槽位置和吸气量的选择,有利于叶栅内部流动更趋合理.      

涡轮叶片上收缩-扩张形孔排的全表面气膜冷却特性

为了摸清新型收缩-扩张形孔在涡轮叶片上的气膜冷却特性,采用一种可进行全表面测量的稳态液晶测量技术测量了收缩-扩张形孔排在涡轮叶片模型上的气膜冷却效率分布。研究了基于叶片弦长的主流雷诺数和二次流-主流流量比对冷却效率的影响,并与叶片上圆柱形孔排的气膜冷却效率分布进行了对比。结果表明:受叶栅通道涡作用,两种孔排的射流轨迹在吸力面呈聚敛状;在压力面则呈发散状;但通道涡对收缩-扩张形孔排射流的影响较弱。收缩-扩张形孔排在吸力面和压力面上的气膜覆盖范围和冷却效率都远大于圆柱形孔排,而且收缩-扩张形孔排的冷却效率随流量比的增大而增大;在压力面上,叶片型面结构使得收缩-扩张形孔排以及圆柱形孔排的气膜覆盖效果好于吸力面。在本文的实验雷诺数范围内,主流雷诺数对收缩-扩张形孔排的冷却效率分布特征以及冷却效率数值大小的影响都很小。     

短周期风洞中导叶表面压力和换热测量

在发动机典型雷诺数和压比状态下对一种放大导叶叶型进行了表面静压和换热测量.雷诺数对表面压力系数的影响较小,压比增大使压力系数减小,并且吸力面压力系数最低点后移.雷诺数增大时叶片表面传热系数增加,并且吸力面上边界层转捩位置提前.压比主要影响吸力面传热系数,小雷诺数时压比增大会推迟吸力面上边界层转捩点位置,大雷诺数且吸力面后半段为超声速流动时,增大压比使该区域传热系数降低.保持主流总温不变,叶片表面绝热壁温随叶栅压比增大而降低,相同压比下,叶片表面处于层流状态时绝热壁温比处于湍流状态时低.      

涡轮叶栅前缘气膜冷却对气动参数影响的数值研究

采用具有TVD性质的三阶精度有限差分格式、自由型曲面技术以及多区域网格算法,对前缘带有三排冷气孔的涡轮导叶进行了气膜冷却数值计算,分析了前缘冷气喷射对涡轮气动参数的影响,描述了叶型表面冷气射流的运动规律。结果表明,冷气喷射导致了流量、马赫数和温度较为明显的变化,前缘和吸力面获得的绝热效率高于压力面,压力面冷气射流的运动规律比较复杂。型面压力只在冷气孔区域有明显的波动。