快速响应压力敏感涂料截止频率实验研究

快速响应压力敏感涂料（PSP）测量技术在获取模型表面动态压力这一关键参数上具有广阔的应用前景,而聚合物粘结剂作为快速响应PSP的重要组成部分,其结构对涂料的性能有着决定性的影响。针对两类聚合物支链长度不同的快速响应压力敏感涂料,在正弦波型高频动态压力光学校准系统中采用光强法对涂料进行测量,获得不同的压力脉动频率下涂料发射光强的时域变化结果。通过对测得的原始压力及光强信号进行滤波获得了不同频率下压敏涂料的发光响应对压力变化的跟随性;对压力及光强信号进行快速傅里叶变换获得各压敏涂料的截止频率。结果显示两类压敏涂料截止频率分别为1.8～3.8 kHz和4.7～9.0 kHz,压敏涂料的截止频率与聚合物酯基链长度具有正相关性。采用的测量方法可有效获取PSP的动态参数,相较于传统阶跃型校准方案,更能为工程上PSP校准和应用需求提供参考和借鉴。     

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。     

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。     

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。     

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.      

基于光强的快速响应PSP动态测量技术及其应用

随着空气动力学的迅猛发展,气动部件的结构及流场越发复杂,流场非定常性产生的影响不可避免,迫切需要对流动的非定常效应进行深入认识。自20世纪90年代起,有关光学压敏涂料(PSP)的动态测压技术成为了实验空气动力学与高分子化学等领域的热点研究方向。经过近20年的发展,快速响应PSP的动态测量技术已有了突破性进步。本文从基于光强的快速响应压敏涂料、动态测量设备、PSP动态测量方法及国外已开展的一些实验研究等方面出发,系统论述了近20年来基于光强的快速响应PSP动态测量技术的发展与应用。研究结果表明,快速响应PSP动态测量技术在非定常流场测量应用中有着巨大潜力,可成为深入认识航空领域复杂动态流场的有效技术手段。     

叶栅风洞出口处孤立叶片吸力面全域压力分布测量

应用自主建立的压力敏感涂料测量系统对固定在跨声速叶栅风洞出口下档板处的大弯度孤立叶片吸力面进行了表面全域压力分布测量尝试,基于涂料实验校准的特性曲线和图像后处理技术,获得了叶片表面压力分布状况。     

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。     

正弦波型高频动态压力光学校准系统及其应用

动态压力是气动部件表面的关键气动参数。光学压力敏感涂料（PSP）测量技术在测量气动部件表面动态压力方面具有全域测量、不影响流场自身的优势，而光学压力敏感涂料的动态响应特性则是进行动态压力测量的决定性因素。基于声学驻波管原理，自主设计并组建了正弦波型高频动态压力光学校准系统，主要包含有驻波管型校准舱、声源、激光源、高频压力传感器、光电倍增管以及测控系统。对动态压力光学校准系统及某新型快响压敏涂料的实验结果表明，所组建的动态压力校准系统可产生最短响应时间12.5 μs、最大压力幅值为4.37 kPa的正弦型动态压力，其有效动态频响范围为0.4~20.0 kHz（50 μs~2.5 ms），不确定度小于0.004 9%；校准系统合理的光路布局可进行快响压敏涂料动态特性的校准，所测涂料可用于动态频响不高于9.1 kHz（响应时间为109.9 μs）的非定常流场的压力测量。     

应用压力敏感涂料测量孤立叶片吸力面压力(英文)

以国产温度不敏感的荧光压力敏感涂料和自主建立的测量系统为基础,应用基于光强的压力敏感涂料测量技术获得了叶栅风洞中孤立叶片吸力面的压力分布。实验测量分别在叶栅风洞出口处气流速度0.3和0.4马赫条件下进行,叶片攻角–12°,大气温度与压力分别为15 ℃和95.4kPa。实验叶片吸力面有4排10列测压孔,弯度约40°左右,叶片连同基座被固定在叶栅风洞出口处的下导流档板上,以方便采集荧光图像。实验测量中还同时采用了静压扫描装置进行常规压力测量,以便进行数据对比。在理论与方法确立方面,对基于光强的测量方法进行了回顾并针对自主建立的测量系统提出采用事后校准的方式进行先验校准,以消除校准与测量中参考压力不一致所引起的误差;提出了荧光图像后处理过程的实施步骤及图像对准的操作方法以进一步提高测量的准确性。压力敏感涂料测量所获得的压力值与静压扫描所得数值之间的误差在7%之内,说明实验测量是有效可信的。     

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。     

压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（一）：非定常气动响应

 为了加强对叶轮机三维气动弹性机理的理解,为数值模拟方法提供试验验证数据,开展了压气机线性叶栅气动弹性试验研究。本研究分为两部分,本文为第1部分,研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,第2部分重点辨别叶尖间隙对此振荡叶栅气弹稳定性的影响。组建了线性叶栅试验台,其试验段由7个真实可控扩散叶型组成,中间叶片由凸轮机构驱动模拟三维一阶弯曲振动。使用外置压力传感器在6个叶高处测量叶片表面的定常压力分布和3个折合频率下叶片表面非定常压力分布。由管传递函数修正连接管造成的非定常信号失真。运用影响系数法构造协调叶栅任意叶片间相位角下的非定常气动响应结果。试验结果表明：非定常气动响应具有完全的三维特征;折合频率和叶片间相位角对叶栅的气动弹性稳定性具有决定性影响。     

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。     

后加载叶型叶栅的三维压力场及其对损失发展的影响

在低速环形叶栅风洞上对具有后部加载叶型的常规直叶片叶栅和弯曲叶片叶栅进行了吹风实验，得到了两种叶栅的叶片和上、下端壁表面的静压系数分布及气动性能。实验结果表明，后部加载叶型能够建立对应优良气动特性的叶栅内部三维压力场，同时采用弯叶片技术可进一步优化展向静压系数分布。     

基于反问题设计方法的叶栅激波损失控制

为了降低跨声速叶栅通道中的激波损失,提高叶栅出口的总压恢复系数,以二维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了二维叶栅反问题设计方法,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,在保持叶片总载荷不变的同时,达到降低叶栅槽道中的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,首先运用德国宇航中心L030-4叶栅实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片载荷进行分析,并提出了一种叶片表面载荷分布参数化方法,运用该方法修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶型。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用二维反问题设计方法得到的新叶型激波强度明显降低,叶栅出口总压恢复系数以及马赫数较原型均有增加,叶栅气动性能明显提高。     

大攻角范围超声压气机叶栅激波波系研究

对超声压气机叶栅的多攻角工况进行试验,利用纹影仪、油流试验及叶片表面等熵马赫数分布结果进行对比分析,观察到大攻角范围下叶栅激波波系结构发生了明显变化。为揭示激波结构变化原因,利用NUAA计算程序对叶栅进行仿真。研究发现,大攻角状态下叶栅通道中斜激波产生的原因,为前通道激波诱发附面层分离再附后,气流为沿叶片表面继续流动,从而形成斜激波;由于斜激波的增压降速,导致尾缘激波非常微弱甚至消失。     

大攻角范围超声压气机叶栅激波波系研究北大核心

对超声压气机叶栅的多攻角工况进行试验,利用纹影仪、油流试验及叶片表面等熵马赫数分布结果进行对比分析,观察到大攻角范围下叶栅激波波系结构发生了明显变化。为揭示激波结构变化原因,利用NUAA计算程序对叶栅进行仿真。研究发现,大攻角状态下叶栅通道中斜激波产生的原因,为前通道激波诱发附面层分离再附后,气流为沿叶片表面继续流动,从而形成斜激波;由于斜激波的增压降速,导致尾缘激波非常微弱甚至消失。     

压力敏感涂料特性及其校准技术实验研究

 精细化的校准技术和涂料特性研究是影响压力敏感涂料(PSP)测量技术测量精度及其工程应用的重要因素。为此以PSP地面实验测量系统为主要平台,进行了国产PSP的静态校准和光降解实验,基于自主编制的PSP静态校准图像后处理程序研究了PSP压力、温度灵敏度之外所展现出的重要特性。研究结果表明:一定压力范围内,PSP的Stern-Volmer响应曲线呈现出较为明显的非线性,在校准中应采取高阶Stern-Volmer关系式进行拟合;在均匀压力和温度下,不同样片区域的校准结果呈现出空间不均匀性,这种不均匀性会影响PSP的校准精度;PSP存在光降解效应,其降解曲线在一定时间内近似为线性。同时,本文还简要分析了其产生机理以及对PSP测量精度的影响,初步提出了相应的评估指标及改进措施。     

航空发动机叶片颤振机理探究

航空燃气涡轮发动机中,由颤振引发的叶片疲劳失效是导致发动机机械故障的主要原因之一。为了研究叶片颤振这一非定常气动现象,在能量法的基础上采用弱耦合的计算方法,模拟了发动机风扇叶片在不同转速和不同出口反压条件下的振动,得到了叶片的颤振边界。其中流场与叶片建模用到三维线性插值法转化振动位移,流场动网格建模用到了多层动网格技术。计算表明,叶片表面气动功的分布与叶栅内的激波分布有很大的关系,激波在叶栅通道中的振荡是引起叶片颤振的原因之一。激波在叶栅中前后振荡,使得叶片表面上单位面积做正功的区域发生变化。做正功的区域扩大时,叶片表面气动功绝对值减小,从而气动阻尼比减小,更靠近颤振边界。