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。     

光学压力敏感涂料测量技术综述

光学压力敏感涂料测量技术是一种新的测压技术,具有免接触、可连续大范围测量等特点,国外已广泛应用于风洞测量。文中介绍了PSP技术基本原理、测试系统的组成、特性参数的标定和使用该技术测量的方法及特点,并阐述了该技术的未来发展方向。     

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。     

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.      

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双分量压敏涂料技术的应用研究

介绍了压敏涂料技术在实际应用中的一些经验,给出了在飞机机翼表面,压敏涂料技术与常规测压孔技术测量结果的比较得出:国产压敏涂料的性能优于进口产品,可替代进口产品;使用国产双分量压敏涂料的压敏涂料技术可用于型号研制压力测量试验。     

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。     

压敏涂料技术在风洞中的应用研究

压敏涂料技术是重要的风洞模型表面压力测量技术之一。作者介绍了压敏涂料的研制及该技术应用于风洞试验时的自动化试验图像采集技术、试验数据处理与修正技术及实际应用中的一些经验,给出了在飞机机翼、边条、前缘襟翼、副翼表面,压敏涂料技术与常规测压孔技术测量结果的比较。     

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.     

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。