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。     

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。     

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,     

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。     

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。     

测量系统特性对压敏涂料校准影响的实验研究

针对压敏涂料(PSP)的特性,基于自行建立的光学压力测量系统,研究了CCD相机光圈与激发光源强度对校准结果的影响。对压力为27.4～147.4kPa,相机光圈F值为2.8～11.0,激发光源在200W、400W两种强度条件下分别开展了国产压敏涂料的校准实验,每一采样点采集20次。通过对所采集荧光图像进行平均、比运算等一系列图像处理后,可得到不同条件下的压力校准曲线,分析了相机光圈与激发光源强度对压敏涂料压敏特性的影响。实验研究结果表明:经过比运算可以消除系统和光照不均匀对压敏涂料发光的影响;激发光需具有一定强度,激发光的强度要足以使涂料中的光敏分子产生能级的跃迁;相机的光圈值越大,所采集到的图像信噪比越大,获得的压敏涂料校准曲线斜率越大。     

水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型气动力计算采用Pierce修正的风机Leishman-Beddoes非定常气动力模型,入流模型采用Suzuki广义动态尾迹入流模型。利用Newmark数值积分方法获得叶片气弹响应的稳态周期解。分别以美国国家可再生能源实验室Phase VI非定常空气动力学实验及其公开的1.5MW风力机叶片为算例计算了有/无预弯叶片的气弹响应,验证了本文所建模型的正确性。     

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POD和ARMA的阵风响应预测降阶模型研究

针对阵风响应流场高效精确分析需求,基于非定常CFD数值模拟发展了一种快速流场预测的降阶模型。采用本征正交分解(POD)方法对高斯阵风激励的CFD非定常流场快照进行特征分析、并基于能量占比准则截取主要基模态来降维,采用自回归滑动平均(ARMA)方法建立各主要基模态系数的线性预测模型。采用NACA0012和DLR-F12的分析算例进行了验证,与CFD非定常计算结果对比分析表明,模型具有可靠的计算精度,适合于精确高效快速分析阵风响应,为阵风减缓设计提供技术支撑。     

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。     

倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析与试验

基于多体动力学分析方法建立倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析模型,研究过渡状态下倾转旋翼非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲的影响,修正了直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡状态的多体动力学方程,建立倾转旋翼过渡状态下时域非定常耦合分析模型。以两片桨叶的跷跷板旋翼为例,分析倾转过渡状态旋翼瞬态挥舞响应及旋翼气动力的时间响应历程。利用旋臂式模型机动飞行试验机进行倾转过渡状态下旋翼瞬态拉力的试验研究,试验与理论计算结果表现出很好的相关性。数值计算和试验结果表明:建立的时域模型能够有效分析倾转旋翼过渡状态的瞬态特性;倾转过渡状态旋翼尾迹弯曲对非定常动态入流的影响是显著的,对于倾转过渡状态动态入流尾迹弯曲的修正是很必要的。      

蝙蝠飞行的空气动力学研究进展

蝙蝠飞行的空气动力学研究是近二十年来关注的热点问题,其中蕴含着翼主动大变形的流动控制机理,对其进行研究可以揭示不同于鸟类和昆虫的非定常空气动力产生的机制。首先,根据研究工具的进步程度,把对蝙蝠飞行的研究分为了三个历史阶段,即在第一和第二阶段通过获得部分"静态"的数据来研究,在第三阶段对蝙蝠翅膀飞行中的动态变形进行测量和流场结构测量。然后陈述了蝙蝠翼的特征,飞行中挥拍运动及变形规律特征,并简述了特征的四类变形模型(扭转变形、弦向弓形变形、展向弯曲变形和翼面积改变)。有了初步的变形模型后,对主动变形产生非定常空气动力产生机制和气动性能调控进行了探讨。最后提出了当前对蝙蝠飞行的空气动力学研究面临的困难和挑战。     

基于CFD的高效气动弹性计算方法

本文在高效气动弹性分析方法方面的研究工作包括:对于超声速流动范围,发展了一种基于CFD数值计算流场修正的高效、高精度工程算法,既含有CFD技术模拟复杂激波系的流场特征信息,又具备工程算法计算速度快的优点;对于失速迎角前的飞行器从亚声速、跨声速到超声速范围,发展了一种基于CFD技术的非定常气动力建模方法,由此获得气动弹性计算所需的非定常气动力,此方法可以包含物面在跨声速存在激波运动的流场信息,计算精度与直接应用CFD模拟气动弹性过程的方法相当,但运用非定常气动力建模技术途径的效率可以比直接基于CFD模拟方法提高2个数量级,对CFD技术应用于气动弹性精确预测方法具有工程实际应用价值;还研究了基于非定常气动力建模的方法用于伺服气动弹性分析、阵风响应.     

基于图像的测量方法在工业风洞跨声速流测量中的最新进展

风洞中非定常复杂流场的实验研究要求先进的测量技术.基于图像的测量技术中最重要的是测量平面流速度场、平面压强分布、模型位置和变形、模型温度以及定量的高速流可视化等技术.DLR(德国宇航研究院)对这些技术的应用包括从低速流到跨声速流、从增升装置到螺旋桨和旋翼、从弹射装置和水塔储水罐尾迹流旋涡到三角翼上涡破裂现象等的研究.由于跨声速风洞的特殊环境,将基于图像的测量技术用于跨声速流要求专门的技术开发和有经验的科学家.给出了DLR空气动力学和流动技术研究所将基于图像的测量技术应用于跨声速流研究的最新进展.     

射流状态转换过程中转子流场的动态分析

为了探索周期性射流的射流状态转换过程中转子流场的动态响应特征,采用非定常数值方法对转子流场进行了模拟,并对叶尖泄漏涡的运动规律和转子负荷分布的动态变化进行了分析.结果表明,转子流场的响应主要表现在两个时间尺度:①与叶尖泄漏涡振荡周期相当的小尺度;②与转子负荷径向分布变化相关的大尺度.      

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

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PC2B格式自由尾迹方法的旋翼响应特性分析

旋翼自由尾迹模型的建模和桨叶动态响应计算的问题是直升机空气动力学领域中富有关键意义的课题。本文结合桨叶气动模型、旋翼涡尾迹模型、桨叶挥舞动力学模型、"PC2B"尾迹求解算法和旋翼配平模型,建立了一个时间精确的旋翼自由尾迹和桨叶动态气动响应的分析方法,并针对旋翼总距突增时的旋翼载荷和桨叶动态响应进行了计算和分析,得出了一些有意义的结果。     

双三角翼俯仰振荡运动的流场特性数值模拟

 建立了适用于双三角翼大迎角非定常分离流场模拟的数值方法,研究双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出动态流场结构和气动力性能随迎角的变化规律,重点考察了减缩频率、转轴位置、平均迎角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响。研究结果表明:俯仰振荡到相同大迎角时上仰和下俯的流场存在明显差异;减缩频率对气动力迟滞效应的影响相对大于转轴位置;平均迎角的变化导致双三角翼背风区流场结构呈现不同流态,而振幅的大小决定这些流态的数目,事实上俯仰运动时如果跨越的流态数目越多则流场结构的动态响应滞后现象就越显著。通过数值分析,有利于提高对双三角翼在俯仰振荡运动条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。