2.4m跨声速风洞压敏漆测量系统研制与应用研究

近十几年来,由于压敏漆（Pressure Sensitive Paint、PSP）测量技术的不断完善与发展,国际上主要空气动力试验机构逐步将其应用于2m量级工程型风洞,完成模型表面压力测量、模型表面流动显示与CFD结果验证。在2.4m跨声速风洞建立了双组份、多光源和多CCD的PSP测量系统,解决了大型暂冲式跨超声速风洞试验存在的模型表面温度变化、光照均匀性与强度变化,以及模型振动、试验数据修正、喷涂与压敏涂料校准等诸多影响PSP测量结果精准度与可靠性的问题,并成功应用于大飞机测压模型和三角翼测压模型压力分布测量试验。试验结果表明：在小迎角范围压敏漆涂层对模型表面压力分布影响不明显;在试验马赫数0.4-0.82、模型迎角-4°-4°范围,PSP与传统电子扫描阀测量结果的Cp均方根偏差小于0.03,测量精准度与国外同量级连续式跨声速风洞相当。可以为飞行器气动优化设计和空气动力学研究提供一种新的、先进的测试技术。

气动力压敏漆发光氧猝灭影响因素的研究

以钌配合物为探针分子 ,分散于经溶胶 -凝胶法制备的SiO2 基质中制得了性能优异的对空气压力变化敏感的压敏漆。研究了探针分子的选择、溶胶 -凝胶SiO2 基质的制备条件、反射衬底以及测量温度的选择对压敏漆发光氧猝灭的影响。表征了压敏漆的微观结构 ,研究了微观结构与发光和氧猝灭的关系 。

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。

压敏漆测量三角翼模型气动载荷的超声速风洞实验

采用压敏漆在超声速风洞中测量三角翼模型气动载荷,得到了应用压敏漆测压与天平测力相结合获取的三角翼模型气动载荷对比实验结果。简述了压敏漆原理、标定、试验设置和数字图像数据处理方法。由于尺寸限制,模型没有开设测压孔。对三角翼模型进行了数值计算,对试验和计算得到的结果进行了比较分析。

压敏漆测压在低速射流撞击壁面的应用研究

压敏漆(pressure sensitive paint,PSP)测压是一种基于发光分子氧猝灭效应的测压技术,与传统测压方式相比具有成本小、空间分辨率高等特点.实验搭建了压敏漆测压硬件平台,开发了数据处理软件系统.利用驻点处的压强与灰度关系拟合了标定曲线,研究了低速射流撞击平板表面的压强分布特性,分析了喷管距离壁面高度和雷诺数的影响.结果表明,当喷管高度h/d<6时,压强分布曲线的峰值压强和半宽度随喷管高度变化基本不变;当喷管高度h/d>6时,随着高度的增大,峰值压强线性减小,半宽度线性增加.采用峰值压强和半宽度对不同喷管高度的压强分布曲线进行无量纲化,压强分布曲线呈现自相似特性.进一步研究表明,在实验雷诺数范围内,压强分布受雷诺数影响较小.

气动力压敏漆发光特性研究

以钌配合物为探针分子，分散于经溶胶凝胶法制备的ＳｉＯ２ 基质中形成对空气压力变化敏感的压敏漆．测定了它们的发光光谱及其氧猝灭性能，定量研究了发光和氧猝灭的关系，并将压敏漆用于风洞模拟试验，在较宽压力变化范围内获得了良好的线性关系．表征对压力变化灵敏度的直线斜率高达０ ．７５ ．显示出所制备的空气动力压敏漆的性能优异，具有开发应用前景．

压敏漆测压

阐述了压敏漆测任原理，以及对压敏漆的要求和压敏漆的研制。

新型气动力压敏漆的研制及特性研究

以钌配合物为探针分子，将其分散于经溶胶－凝胶法制备的ＳｉＯ２基质中，制得了性能优异的对空气压力变化敏感的压敏漆。用可见光激发，发射６００ｎｍ左右的橙红色光。将压敏漆用于风洞模拟试验，在较宽压力变化范围内获得了良好的线性关系。表征对压力变化灵敏度的直线斜率高达０．７５。

基于荧光猝灭原理的压敏漆及光降解特性

介绍了适用于连续测定压力分布的压敏漆(PSP)新技术,分析了压敏漆的测压原理。进一步分析了压敏漆的光降解特性以及减缓光降解方法,根据实验测定的一种压敏漆光降解曲线找出了适合的压敏漆激励光源波长。

掺铒联吡啶钌为探针分子压敏漆的制备及氧猝灭特性

以2,2′-联吡啶,三氯化钌（RuCl3）,氯化铒（ErCl3）为原料合成了铒掺杂的探针分子。将探针分子加入到铕掺杂的硅溶胶基质中获得了铕、铒共掺杂的压敏漆样品。采用IR,SEM,EDS及荧光发射光谱对探针分子和压敏漆进行了表征。红外光谱结果表明,探针分子中联吡啶的结构没有被破坏。扫描电镜观察发现探针分子呈片状,EDS测试发现探针分子表面含有Er,Ru等元素。紫外吸收光谱表明压敏漆的最佳吸收波段位于200~500 nm处,选择410 nm作为激发光源,压敏漆在590 nm处有很强的荧光发射,并且随着空气压力的增大（即氧分子浓度的增加）,压敏漆的荧光发射强度降低,说明压敏漆具有较好的氧猝灭特性。

压敏漆基质SiO_2溶胶制备及其性能研究

以正硅酸乙酯为前驱体,乙醇为溶剂,盐酸为催化剂,采用溶胶-凝胶法制备了用于压敏漆基质薄膜材料的SiO_2溶胶。不同的成膜助剂对SiO_2溶胶的涂膜性能影响较大,其中以异丙醇作为添加剂的溶胶涂膜性能最好。吸收光谱测试结果表明SiO_2溶胶不吸收激发光,同时发射光谱研究结果表明SiO_2溶胶发光波长为415 nm左右,不影响压敏漆探针分子的发光。

基于荧光猝灭原理的压敏漆荧光特性研究

根据系统对压敏漆的要求,基于压敏漆的测压原理实验测定了4种压敏漆的荧光特性曲线,通过分析找到了适合的压敏漆以及相应的激励光源波长。

压敏漆技术中的图像几何畸变校正研究

针对压敏漆技术中有风条件下飞机图像的几何畸变问题,给出了一种建立三角网进行校正的方法。该方法以飞机表面的人工标志点与自选的边缘控制点相结合构成三角网控制点,改进了SUSAN算法实现边缘控制点的选取,采用Delau-nay三角剖分建立三角网,最后利用基于Bresenham画线算法的快速算法实现三角形区域的图像重绘。对变形的飞机模型图像进行了畸变校正和结果分析,取得了很好的校正效果,有助于提高压敏漆技术中飞机表面压力测量的准确性。

结合灰度信息的压敏漆图像配准

压敏漆技术是一种经济性高、速度快的风洞测压前沿技术。在风洞试验中,由于强风影响,模型会发生畸变,造成有风图像和无风图像难以配准,从而严重影响测压精度。针对这一问题,本文创新性的将二维非刚性ICP算法用于此问题,采用点云方式使得图像细节区域有效配准,同时也有利于后续三维重建工作。然而由于二维非刚性ICP算法仅考虑二维坐标位置关系,忽略压敏漆图像像素灰度具有的相关性,使得配准精度不高。直接利用三维非刚性ICP算法又会发生误配准,所以为了进一步提高配准精度,本文提出了一种基于像素关联搜索策略的非刚性ICP算法,算法设计了综合考虑2D坐标与像素灰度值的双目标搜索策略,实现了精确的局部匹配点搜索与双目标优化。在多组压敏漆图像上将本文算法与五种配准算法进行了对比实验分析。实验结果表明,本文所提出的算法具有最好的配准精度。相比次优算法,RMSE提升超过15%,NMI提升在5%左右。

基于压敏漆的多羽流气动力效应试验研究

多股羽流相互作用会形成复杂流场形态的干扰羽流,为了对干扰羽流开展气动力效应试验研究,采用压敏漆(PSP)表面压力光学测量技术,对以常温空气为工质的单喷嘴羽流和双喷嘴干扰羽流撞击平板模型的气动力进行了高分辨率的全场测量,分析了喷嘴和平板间不同入射距离和入射角对羽流气动力作用强度和范围的影响。试验结果表明,以高透氧聚合物为基层的压敏漆在羽流气动力测量中具有快速响应的特性,能分辨Pa级的微小压力变化。相对传统离散测压孔方法,压敏漆温度敏感度低,能捕捉大梯度的压力变化,准确描述羽流气动力效应。通过对比,发现干扰羽流对气动力具有明显增强作用,且增强作用随着入射距离的降低而减弱,干扰羽流的气动力不能直接用单股羽流的气动力进行线性叠加;羽流相互作用增强羽流返流,在航天器设计中需要考虑多股羽流相互作用后的羽流防护问题。

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。

基于无监督学习的风洞压敏漆图像配准算法

为满足压强敏感涂料(简称“压敏漆”)图像准确、快速的配准需求,提出一种基于无监督学习的压敏漆图像配准方法——PIR-Net。首先,针对风洞环境中零件的大程度形变问题,构造多尺度的网络框架,实现压敏漆图像由粗到细的配准;其次,构造类似U-Net结构的卷积网络,实现图像宏观结构特征和局部细节特征的融合;最后,设计基于结构相似性的损失函数并引入梯度场约束,以提高特征稀疏图像的配准精度。实验结果表明,相较于领域内的典型配准方法,所提方法的归一化互相关指标提高了16.4%,均方误差提高了19.1%。

基于快响应压敏漆和高温磷光热图的气膜冷却非定常实验测量技术综述

涡轮内部流动及冷却射流的湍流特性决定了气膜冷却具有强烈的非定常性,精确获取高时空分辨率的气膜冷却换热特性对揭示其内在机理尤为重要。本文针对气膜冷却的非定常测试需求,聚焦于气膜冷却中涉及的壁面气膜动态覆盖以及叶片表面温度测量,从测量原理、测试系统及实际应用方面依次介绍了两种气膜冷却非定常实验测量技术。基于快响应压敏漆能够测量涡轮叶片、叶身及端壁的非定常气膜冷却,进而利用高温磷光热图评估近发动机工况下高温叶片表面的动态温度分布。

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。

基于0.6m量级三声速风洞的压敏漆试验技术

基于0.6m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620Pa,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。