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。     

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。     

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。     

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。     

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0.6 m量级三声速风洞的压敏漆试验技术

基于0.6 m暂冲式三声速风洞,建立了压敏漆测压系统,解决了各分系统的同步控制问题。研究了涂料喷涂影响、图像滤波和系统测量稳定性及精准度等技术细节,并将该系统首次应用于未来大型客机减阻与激波控制的机翼表面压力测量中,获得了基本外形和鼓包外形机翼表面的压力分布、激波位置及形态。检验了设计鼓包在设计状态和稍偏离设计状态下的激波控制效果及其对上翼面压力分布和升力特性的影响。研究结果表明：涂料喷涂质量不佳造成的表面粗糙度和厚度变化会显著影响压力分布,喷涂质量需严格控制。窗口直径8像素迭代3次的高斯滤波对压力波动的平滑效果较好且不会失真。建立的压敏漆系统与压力传感器的压力系数测量均方根偏差在0.022以内,压力均方根偏差小于620 Pa,测量精准度较高。设计鼓包在设计状态及稍偏离设计状态下,均能够有效减弱激波强度,保证机翼升力变化很小,从而提高机翼的升阻比。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.      

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。     

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.