2019, Vol. 37
空气动力学实验中，表面压力测量是最为基础和重要的内容之一。压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint, PSP)是一种新型的非接触测压技术。与传统的测压孔技术相比，具有如下优点：①PSP是全局测量技术，可获得高分辨率的表面压力分布[1]；②受模型结构限制小，能够对翼尖、舵面等难于布置测压孔的区域实现测量[2]；③PSP技术无须加工专用的测压模型，可大幅节约周期与经费。20世纪90年代以来，PSP技术已广泛应用于国内外的生产型高速风洞实验中[3-4]，并具有较高的成熟度。但目前高速风洞常用的压力敏感涂料，由于不同的配方、喷涂厚度及浓度，其响应时间可高达几百毫秒甚至几秒，无法满足非定常流动测量的需要，因此近年来，对快速响应PSP的研究成为了焦点[5]。
快速响应PSP测量通常基于具有表面多孔特性的快速响应PSP涂料，以实现与气流接触面积的增大。目前采用的涂料主要包括薄层色谱板[9]、阳极化铝表面[10-11]、陶瓷聚合物[12-13]、三丙硅基丙炔(TMSP)聚合物[14]和含氟丙烯酸酯(FIB聚合物)[15]等。近十几年来，美国、日本和欧洲的众多研究机构对快速响应PSP测量的技术研究和发展应用开展了大量工作[5-7]。刘天舒通过对涂料表面结构的分析建立了涂料响应时间模型；Schairer通过对快速响应PSP的信噪比与频响特性的分析给出了最优涂层厚度的经验估计[8]；Sakaua等对发光基团的使用过程进行了研究[16]，目前该技术已应用于非定常激波运动、声学诊断[19-20]和转子叶片气动力等研究；Fujii等使用阳极化铝快速响应PSP对激波绕圆柱过程中的相互作用[17]进行测量；Mark等研究了激波衍射现象[18]；Disotell等使用陶瓷聚合物涂料对旋翼叶片完成了快速响应PSP测量，获得了叶片表面压力随迎角的变化[21]。Nakakita等对跨声速火箭整流罩非定常流展开测量[22]。Timothy等使用快速响应PSP技术研究了碰撞表面的非定常压力分布及共振模态[23]。
国内对PSP相关研究工作主要集中于常规PSP，包括涂料的研制、性能校准和稳态测量[24-26]，对快速响应PSP测量技术研究相对较少：主要为涂料的研制[27]以及该技术的系统综述性研究[28-29]，航天空气动力技术研究院对圆柱绕流的非定常压力进行了快速响应PSP测量研究[30]。近年来，中航工业空气动力研究院开展了内流领域的非接触测量技术研究，已将常规PSP技术应用于跨声速叶栅叶片表面压力的稳态测量[31]。为了进一步开展发动机内流中非定常气动特性的研究，本文开展了叶栅的快速响应PSP技术应用研究工作，包括对涂料动态特性的测量，以及在跨声速叶栅实验中的应用情况。
1 涂料及性能标定压敏涂料测量原理与荧光分子的氧猝灭过程相关联[1]。由于压力正比于空气中的氧分压/浓度，所以PSP的发射光强随空气压力的增大而减小。而涂料的响应时间由荧光物质的发光寿命和氧分子在PSP涂层中的扩散时间决定，由于铂基卟啉(platinum mesotetra (pentafluorolphenyl) porphine-PtTFPP)、邻菲罗啉氯化钌(tris(4, 7- diphenyl-1, 10-phenanthroline) ruthenium(Ⅱ) bis(hexafluorophosph-ate)-Ru(dpp))等常用PSP荧光物质的发光寿命远小于气体分子在涂层中的扩散时间，因此对涂料的研究主要是如何提高氧在涂层中的扩散速度。
从扩散方程可以得到氧在均匀PSP涂层中扩散时间正比于涂层厚度h的平方[1, 5-7]：τdiff∝h2/Dm。其中，Dm为氧在涂层中的扩散系数。因此可以通过减小涂层厚度来缩短涂料的响应时间。但是在进行动态测量时，光源照明与相机曝光需要在短时间内完成，涂料厚度的减小会造成光强下降，影响信噪比与测量精度。因此需要通过提高涂层表面的孔隙率增大涂料表面积，以提高氧分子的扩散速度，同时增强激发光在涂层中的散射，增强信号强度。
本次实验使用的快速响应PSP涂料是ISSI公司提供的Turbo FIB涂料，该涂料的主要成份包括FIB聚合物、PtTFPP探针分子和二氧化钛(Titanium Dioxide-TiO2)颗粒。其中PtTFPP是PSP涂料中常用的荧光材料，其吸收谱的中心位于400nm，发射谱的中心位于650nm；FIB为含氟的透氧高分子聚合物，能很好地降低荧光探针的温度效应；而TiO2颗粒可以有效提高涂料表面的孔隙率。因此该类涂料在提高时间响应的同时能够保持较低的温度敏感度，从而降低温度不均匀性给测量带来的误差。利用校准腔在10~25℃和20~180kPa范围内对涂料进行性能校准。图 1给出了该涂料的温度-压力-光强特性曲线，Iref和pref分别是参考条件下的发光强度和压力。在标定范围内，温度灵敏度低于0.36%/℃，而压力灵敏度高于72%/100kPa。
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图 1 涂料的Stern-Volmer关系图 Fig.1 The Stern-Volmer plots for Turbo FIB-PSP |
利用激波管测量装置对涂料的响应时间进行测量，激波管工作原理如图 2所示。该激波管的横截面为84 mm×84 mm的矩形，驱动段长500 mm，被动段长2100 mm。驱动段与被动段的压比为7，驱动段与被动段间的隔膜由于压差作用爆破形成运动激波。在激波管的被动段管壁上安装动态压力传感器与PSP涂料试件，使用400 nm波长的激光器对PSP试件进行照射，激发光信号通过滤光片后由光电倍增管采集。图 3为Turbo FIB涂料的时间响应，上图为脉动压力传感器测得的压力跃升变化，下图为光电倍增管所采集的Turbo FIB涂料的光致发光信号。可以看出动态压力信号约从1.02 ms开始阶跃上升，此时对应激波管的隔膜爆破时刻，历时约0.07 ms动态压力信号跃升至最大，而后压力渐稳定。隔膜爆破时PSP试件的光电信号约为3.015 V，历时约2.5 ms后PSP的光电信号基本稳定在2.74 V，由压力跃升产生的光电信号变化量约为0.275 V。定义涂料响应时间τ为光电信号降幅达到总降幅的90%的所需时间，可得涂料响应时间约为0.77 ms。
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图 2 激波管示意图 Fig.2 Schematic of shock tube |
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图 3 涂料的时间响应 Fig.3 Time response of Turbo FIB-PSP |
实验在中航燃气涡轮院(现中航发燃气涡轮研究院)的SB301超、跨声速平面叶栅风洞完成。该风洞是一座暂冲式跨、超声速平面叶栅实验器，由气源站供给高压空气，空气经净化、干燥后贮存于贮气罐中。风洞的稳定工作时间大于4分钟，来流总压波动小于0.3%。实验段工作转盘可以在20°~90°范围内转动，实现进口气流角的变化。
实验在某压气机平面叶栅中开展，几何参数见表 1，其中角度均以叶栅额线为基准。叶栅叶片为钢制，快速响应PSP涂料直接喷涂在清洁后的叶片金属表面。叶栅的右栅板为有机玻璃，可透光进行照明与拍摄；左栅板为钢制，叶片表面测压孔引出管与喷射缝管路从左栅板引出。
| 表 1 平面叶栅实验件几何参数表 Table 1 Geometric parameters of cascade |
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为了在叶片表面实现可控的周期压力变化，在一片叶片的叶背表面0.165弦长、展向中央位置开设10mm×0.5mm的喷射缝，叶片结构如图 4所示，并通过管路与脉冲气流激励器连接，如图 5所示。脉冲气流发生器由形成引流孔的活塞式气缸构成，接入高压空气源后，活塞在一个运动周期内对气流形成一次通断从而产生周期性脉冲气流，通过变频电机对脉冲气流的频率进行控制，通过调节气源压力对脉冲气流的压力进行控制。激励器出口气流的实测压力曲线如图 6所示，可见脉冲喷流效果较接近于方波脉动。
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图 4 叶片结构图 Fig.4 Structure diagram of blade |
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图 5 喷射缝与脉冲气流激励器 Fig.5 Jet slot andpulse flow actuator |
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图 6 激励器出口气流脉动 Fig.6 Flow pulsation on export of actuator |
实验中取来流马赫数范围为0.4~0.8，叶片进口气流角37.7°~ 45.7°。喷流脉冲频率设置为1~6Hz。
2.2 测量系统快速响应PSP测量系统由激励光源、时序控制器、相机和数据处理软件构成。本实验采用的快速响应PSP测量系统与图 7中所示的常规PSP测量系统类似。不同的是，动态测量需要在短时间内完成光源的照明和图像采集。实验同时使用红外相机从叶栅下游对叶片表面的温度分布进行监测。
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图 7 常规PSP测量系统 Fig.7 Conventional PSP measurement system |
(1) 硬件系统。光源选用的是ISSI公司的水冷式LM2XX-DM型LED光源，该光源激发光的中心波长为400nm。在光源上安装了聚光灯罩，可将照明光强提高约2.5~3倍。图像采集使用PCO.2000相机，通过相机内部信号对光源进行同步触发。PCO.2000相机的工作帧率设为8.26fps，曝光时间4ms，图像像素为500×300，叶片实际有效分辨率为亚毫米级，每个实验状态连续采集的图像帧数不低于150帧。
叶栅通道内空间较为狭小，采用如图 8所示的侧视照明与采集光路布置。根据实验现场环境、叶栅叶片位置与表面涂料辐射光强等对相机像素、光圈、曝光时间等参数进行设置。
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图 8 光路布置 Fig.8 Optical path layout |
(2) 数据处理。数据处理采用的是自主开发的PSP光强法图像处理程序，通过实验图像和参考图像的比值来修正光照、涂料喷涂等不均匀性的影响，获得压力结果[1]：
p=C1(T)+C2(T)(Iref/I)+C3(T)(Iref/I)2·pref，其中系数C1、C2和C3由先验标定获得。
由于气动载荷导致模型位移和变形使得实验图像和参考图像不重合，如不能合理修正，在计算压力时会导致较大的误差，因此在压力计算前首先需要对图像进行配准[32]。进行PSP测量前需要在模型表面设置一些标记点，以确定参考图像与实验图像的对应关系，用于进一步进行压力场的计算。
3 结果与分析 3.1 表面温度说明根据涂料的性能标定可知Turbo FIB快速响应涂料的温度灵敏度很低，且通过红外热像仪监测叶栅风洞中的叶片表面温度变化很小，故本次实验处理未对叶片进行温度补偿修正。
3.2 压力平均幅值场表面非定常喷流激励对叶栅表面平均压力分布带来一定影响。首先对单帧图像进行处理获得其对应的表面压力分布，再对各帧图像通过配准对齐，而后对不少于150帧的图像求平均获得压力平均场。图 9给出了气流激励脉冲频率6 Hz，进口气流角37.7°时，进口马赫数分别为0.6、0.7、0.8时，叶片吸力面的PSP测量平均场结果。可以观测到射流对压力分布的影响：在没有射流缝的两侧区域具有典型的翼型压力分布：在叶背大弯度处(弦长10%~30%位置)由于气流的加速出现的低压区；在喷射缝出口上游由于喷流的阻挡使得来流减速形成局部高压区域；而在喷流缝的下游沿流向形成低压条带，这符合典型的横向射流的压力分布特征。Ma=0.8时，射流下游较大范围区域压力相对较低，这可能是喷流与激波联合作用导致了低压区域的增大。通过吸力面弦向压力曲线也看出大约在10%~30%弦长区间有明显的低压区，Ma=0.8时在50%弦长位置后压力基本保持平稳。
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图 9 平均场分布图与弦向压力曲线 Fig.9 Mean field images and chordwise pressure profile |
从图 9中可以看出压力场存在明显的展向不对称。由于射流缝隙处于叶高的50%对称位置，从叶片表面压力分布看没有明显的气流偏转，且不对称区域从喷射缝前方的叶片前缘开始，并呈现透视成像效果，所以该不对称性主要应该是由大角度的不对称光照引起的。
图 10给出了马赫数0.75条件下，叶片的进口气流角分别为45.7°、41.7°、37.7°时，叶片吸力面的平均场压力分布。这时叶片沿弦向位置从低压到高压的阶跃反映了叶片上的激波位置，随着进口气流角的减小，低压到高压的阶跃位置向叶片前缘移动。
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图 10 马赫数0.75时的平均场压力分布 Fig.10 Mean field images for Mach 0.75 |
为了进一步分析PSP对动态压力变化的测量能力，选择叶片表面两个固定点进行时频分析。如图 11(a)所示：#1位于喷射缝中线靠近出口位置，#2为第一个测压孔位置。图 11(b)、图 11(c)给出了叶片进口气流角45.7°、进口马赫数0.6时，改变脉冲喷流的压力与频率(200 kPa、1 Hz和150 kPa、3 Hz)，#1位置PSP测量压力的逐帧变化及其频谱。可以看出该点压力呈现周期性脉动，谱峰对应频率分别为1 Hz和3 Hz，与喷流脉冲频率一致。
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图 11 喷流动态图 Fig.11 Jet flow dynamic plots |
图 12(a)比较了进口马赫数0.8、喷流频率1Hz时，#2位置动态压力传感器数据与PSP结果的动态变化。两种测量结果的动态周期变化相一致，但是与测压孔处的动态压力传感器数据比较，PSP测量结果存在一定的平移偏差。针对该测压孔，以脉动周期内的动态压力均值为数据的时序真值，则PSP的均方根偏差为4.40kPa，使用测压孔均值时序对PSP进行一阶拟合修正，图 12(b)为修正后的比较，此时PSP的均方根偏差为1.15 kPa。
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图 12 测压孔与#2位置PSP结果比较 Fig.12 Comparison of pressure taps and PSP |
压力脉动幅值场通过对配准对齐后的150帧表面压力分布图像进行标准差计算获得，以反映叶片表面不同位置压力幅值的脉动(离散)程度。图 13显示了马赫数0.6、0.7、0.8、进口气流角45.7°、脉冲频率1 Hz时叶片的压力脉动场。该结果反映了马赫数变化对脉动场的影响：当马赫数为0.6时，喷射缝下游方向有明显的喷流脉动带，该脉动带展向不对称，这是可能是因为喷流经管路由叶片左侧的叶型榫头引入，使得在喷射缝出口具有一定的气流偏角以及光照角度的原因；马赫数增大到0.7时，喷流脉动带的脉动有所减弱，但是在靠近叶片后缘位置脉动范围增宽；当马赫数增大到0.8时，喷射缝下游低压到高压的阶跃位置附近则出现了较大范围的楔形脉动区域，这时叶片表面的压力脉动主要由低压到高压的阶跃位置的变化导致。
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图 13 脉动场分布 Fig.13 Pulsation field |
图 14显示了马赫数0.8、脉冲频率6 Hz、叶片气流角为45.7°、41.7°、37.7°时，叶片表面的脉动压力分布。其中叶片气流角45.7°时喷流表压为130 kPa，气流角为41.7°、37.7°时喷流表压为150 kPa。对比可以看到改变气流角对喷射缝下游楔形脉动区域分布的影响，随着气流角减小，脉动区域随低压到高压的阶跃位置一同向叶片前缘移动，且脉动楔形沿展向扩张。
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图 14 脉动场分布 Fig.14 Pulsation field |
本文通过人工激励的方式模拟高速叶栅中的周期非定常流动，研究了快速响应PSP涂料在高速叶栅叶片表面动态压力测量的实验技术。实验观测数据处理结果表明：
1) 快速响应FIB-PSP具有较低的温度敏感度与亚毫秒量级的响应时间，可用于100Hz以内非定常流动特征的测量。叶栅风洞试验显示涂料具良好的附着性，可用于跨声速测量，能够较为准确地反映局部动态压力变化；
2) 快速响应PSP技术能够以高空间分辨率动态地反应叶栅叶片表面的压力分布的主要特征，包括喷射缝下游存在相对低压的喷流带，叶片表面产生的低压到高压的阶跃等。随进口气流角的减小，该阶跃向叶片前缘移动，喷流在下游形成低压区域，并在高马赫数时导致较大范围的分离。
3) 快速响应PSP可以准确地捕捉脉冲激励的频率，但测量幅值与测压孔数据比较，PSP测量结果存在一定偏差，平均偏差大于常规稳态PSP；且基于光强法的快速响应PSP动态测试压力幅值场分布存在明显的展向不对称性。其原因包括：①大角度光照带来的测压孔位置光强较弱, 造成信噪比下降；②不同于常规稳态双份量PSP，参考状态下叶片表面温度与实验过程中叶片表面温度存的差异、激励光源的光强变化、涂层厚度以及探针分子浓度等都会对单分量快速响应PSP带来更大的系统误差；③激励光多次反射形成的背景光强的影响。
本文实验是采用光强法进行的快速响应PSP动态测试。由于光致发光寿命与压力之间不受激励光照射强度影响[1]，因此在日后的快速响应PSP动态测试中，可以通过发展基于发光寿命的测量方法来避免或降低激励光源照射不均匀、光强变化等带来的测量误差。
致谢: 本文工作由民用飞机专项科研支持，实验工作由中航工业空气动力研究院牵头、与中国燃气涡轮研究院(现中航发燃气涡轮研究院)合作完成，感谢燃气涡轮院石小江、熊兵、马昌友等对本次实验给予的帮助支持。
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