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。     

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。     

使用压敏漆进行转子表面压力分布测量

应用压敏漆(PSP)技术对转子叶片表面压力分布进行测量,是当前国际上一项新的航空测试技术。通过查阅大量国内外相关资料,对这种测试技术的测量原理、测量方法、涂漆方式、数据采集与处理、校准方法、应用范围与现状等加以介绍,指出其广泛的应用前景。同时阐述了在航空发动机设计领域推广这种新型测试技术的迫切性与必要性。     

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.      

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。     

基于中值滤波和参考点的风洞压敏涂料试验图像处理技术

提出了一种结合图像中值滤波和试件参考点的风洞压敏涂料（PSP）试验图像数据处理方法。与通常用校准箱获取校准曲线进而得到PSP试验试件表面压力或压力系数（Cp）的方法不同，该方法通过空心中值滤波技术恢复PSP光强比图像中测压孔处的光强比数据，结合若干参考点处常规测压技术实测所得Cp值，获得Cp值和PSP图像光强比数据的关系曲线，进而得到整个试件表面的Cp值数据，该方法获得的数据结合了风洞试验诸多因素对试验结果的影响。利用MATLAB对PSP技术试验图像数据进行了处理，并将PSP方法获得的Cp值与常规测压方法获得的Cp值进行了比较，得到的结果显示，笔者采用的方法获得的Cp值与常规测压方法获得的Cp值吻合较好。该方法为PSP图像数据的处理提供了一种新的方法，具有较大的发展潜力和应用价值。     

基于Stern-Volmer关系式的压力敏感涂料特性研究

Stern—Volmer关系式建立了荧光光强与表面压力之间的函数关系,是光学压敏涂料测压技术的理论基础和核心。从光化学的基本理论和基本模型出发,推导和整理出多种形式的SterwVolmer关系式,并简要评价分析了每种形式的特点及适用范围,同时,基于Stern-Volmer关系式衍生式,研究分析了压力测量值偏差、最优测压范围和压力灵敏度等压敏涂料特性参数的规律特点以及对PSP测量的影响,得出了一些对PSP测压技术工程应用具有重要参考意义的结论,     

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。     

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。     

压敏漆图像数据处理技术

针对压敏漆工程应用的迫切需求,开发了压敏漆图像数据处理软件。采用了两种图像配准方法,并对二者的配准效果进行了对比。介绍了两种图像数据三维还原方法,采用直接线性变换将二维图像坐标与模型空间坐标联系起来,得到了模型表面的真实压力分布数据。引用作者在超声速风洞中完成的三角翼模型压敏漆试验的部分结果,验证了图像数据处理程序的有效性。     

高超声速风洞压敏漆试验技术

提出了适用于高超声速风洞开展压敏漆(PSP)试验研究的关键技术及解决办法。采用自主设计的PSP校准系统及测试系统,考核了代号为EC-PSP的压力敏感涂料在高超声速条件下的适用性、图像处理软件功能以及高温条件影响下数据处理方法的可行性。以压缩拐角模型为例开展了马赫数为5的高超声速PSP技术验证性风洞试验研究,辅以红外测温方法获得模型表面连续温度分布。试验结果表明在高超声速风洞开展的PSP试验技术研究清晰地捕获了基于压力变化的压缩拐角模型表面流动特征,实现了连续压力分布的测量。     

Application of Pressure Sensitive Paint (PSP) for the determination of the instantaneous pressure field of models in a wind tunnel

A two-dimensional and non-intrusive operating optical pressure measurement system PSP (Pressure Sensitive Paint) is described. In recent years, this novel PSP-technology has attracted considerable attention in the aerospace community. The PSP technique can be used to realize absolute pressure measurements on a surface of a model and in addition to quantitatively evaluate flow phenomena using a scientific grade camera and image processing techniques. The PSP system was tested in the Transonic Wind tunnel of the German Aerospace Center in Göttingen (TWG) under real flow conditions. Instantaneous pressure distributions are recorded in almost real time on a three-dimensional double-delta wing model. These pressure images can be interpreted as the `footprints' of the vortex field near the wall. Therefore the recognition and analysis of the vortex dynamics on the model surface are possible. Moreover even the vortex breakdown process as well as secondary vortex structures can be detected by this measurement technique.     

Experimental investigation on static/dynamic characteristics of a fast-response pressure sensitive paint

An optical-based technique using Pressure-Sensitive Paint(PSP) is a promising method to measure the distribution of surface pressure on an aerodynamic model. The static and dynamic characteristics of a fast-response PSP that is developed in the Chinese Academy of Sciences(CAS)are analyzed and tested to serve as the basis for experiments on unsteady surface measurement using a fast-response PSP. Two calibration systems used for this study are set up to investigate the temperature dependency, response time, and resolution. A data processing method, used for dynamic data, is analyzed and selected carefully to determine the optimum signal. Results show that the fastresponse PSP can be used normally at temperatures from 25 ℃ to 80 ℃. The effect of temperature on the accuracy of the measurement must be considered when temperatures are beyond the temperature range of 30–40 ℃. The dynamic calibration device with a solenoid valve can achieve a pressure jump within a millisecond order. The resolution is determined by the signal-to-noise ratio of the photo-multiplier tube. Results of the measurement show that the response time of the PSP decreases with a large pressure variation, and the response time is below 0.016 s when the pressure variation is under 40 kPa.