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快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量
向星居1, 熊红亮1, 袁明磊1, 于靖波1, 陈柳生2, 王智栋2    
1. 中国航天空气动力技术研究院, 北京 100074;
2. 中国科学院化学研究所, 北京 100190
摘要:压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力, 航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术, 与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团, 稳定性较强, 持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式, 并设计制作了2套快响应时间动态标定设备, 测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的PSP试验, 利用高速相机采集图像数据后, 经过批量数据处理, 采集频率为250Hz, 得到了间隔时间4ms的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析, 利用同时采集的测压孔数据对PSP结果进行了比较。试验结果表明, 快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构, 并能同时得到很好的定量压力数据。
关键词快速响应PSP技术     快速响应标定装置     PSP涂料     高超声速     非定常流动    
Unsteady pressure measurement around circular cylinder in hypersonic flows using fast response PSP
Xiang Xingju1, Xiong Hongliang1 , Yuan Minglei1, Yu Jingbo1, Chen Liusheng2, Wang Zhidong2     
1. China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China;
2. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China
Abstract:The fast response Pressure Sensitive Paint (PSP) was studied to develop the capability of making global pressure measurements under unsteady and short duration flow conditions. Fast response PSP is necessary for measuring unsteady flow fields in hypersonic wind tunnels and short-duration wind tunnels. By the use of the fast response PSP, unsteady flow field can be accurately measured. Various PSP formulations are under continuous development in collaboration between CAAA and Institute of Chemistry China Academy of Science. These pressure sensitive paints use PtTFPP as luminophore, which is relatively photo-stable: the decay of luminescent intensity with continuous illumination is 1.5 percent/h. This paint can be sprayable on all kinds of model surfaces. It is durable enough to withstand the aerodynamic forces. With the development of porous PSP, there has been a need for accurate characterization of the response time of PSP. Dynamic calibration methods have been developed to meet this need. Response time of PSP was measured from a step change of pressure created by solenoid valve and pulsating jet. Two dynamic calibration devices were developed to test the response time of PSP. For unsteady calibration the paint was sprayed onto 20 mm × 20 mm aluminum plates. Photo multiplier tube(PMT) was used as the light detector, which is the most critical component in the dynamic calibration device. Several fast response PSP was developed and tested. The typical response time of PSP is 0.2ms. The static calibration system was used to get the relation between the pressure and luminescence intensity. PSP samples were installed in a pressure chamber in which both the pressure and temperature can be set. The sample was excited by UV light and its photoluminescence was detected by a CCD digital camera. The experiment was conducted at different pressures and temperatures. After data processing, the relationship between the luminescence intensity and pressure can be obtained. To demonstrate the capability of PSP for pressure measurements in hypersonic wind tunnel, a cylinder mounted on a flat plate was tested in a Mach 5 hypersonic wind tunnel. The experiment was conducted in the blow down hypersonic wind tunnel FD-03 of China Academy of Aerospace Aerodynamics (CAAA). The diameter of circular cylinder is 25mm. The pressure on the plate surface was measured by several pressure taps simultaneously. The temperature of the model was detected by a Pt100 temperature sensor in real time. A 200-mm-diameter observation window on the ceiling was used as the optical access. Two 450W xenon lamps with bandpass filter (365±10 nm) were used for excitation light. The emission from the PSP was detected by photron high-speed camera SA5 with 12-bit intensity resolution. A bandpass filter (650±10 nm) was placed in front of the camera lens. The surface pressure distributions were acquired. Unsteady pressure behavior around the cylinder measured by the unsteady PSP was shown clearly. The pressure distribution results were obtained at Ma=5, and the unsteady PSP measurement frame rate was 250 frames/s. A detailed pressure distribution pattern of complex flow phenomena including shock wave/shock wave interactions could be clearly measured with PSP. It was confirmed that fast response PSP could be used for quantitative unsteady pressure distribution measurements in hypersonic wind tunnel.
Key words: fast response pressure sensitive paint     dynamic-response calibration device     PSP coating     hypersonic     unsteady flows    
0 引 言

压敏涂料(PSP)测试技术能够大面积定量测量和显示模型表面压力分布情况,已广泛应用于生产型风洞试验。通常说的PSP技术是指常规的稳态PSP技术,压敏涂料的响应时间为1s量级。为满足新型飞行器和空气动力学发展的需要,快速响应PSP技术发展起来。该技术能满足非定常风洞试验和捕捉大面积压力脉动的需求,对激波位置,分离点位置,激波边界层干扰和捕捉飞行器动态气动特性等复杂空气动力学现象的研究提供全局压力分布数据和流动显示图像。

近些年,国外研究较多的快响应压敏涂料主要有阳极氧化铝(AA-PSP)和超细陶瓷粉压敏涂料(UCP-PSP)。AA-PSP是由阳极化的铝质材料作为基底。纯铝材料通过阳极化在表面得到蜂窝状小孔。多孔的表面使得涂料与氧气接触面积增大,发光体直接吸附在多孔表面上,具有较快的响应特性,其响应时间在10μs左右。UCP-PSP由易挥发的有机化合物与超细陶瓷粉构成,可以通过喷涂技术在任何材料的模型表面形成多孔的敏感涂层,其响应时间在100μs左右。美国、日本、德国等国家都展开了快速响应压敏涂料的研究工作,取得了大量的研究成果。美国普度大学较早开展快速响应PSP测试技术的研究工作。他们在高超脉冲风洞和非定常流动测试方面都做了很多卓有成效的工作,其快速响应PSP的采样频率可达到22kHz[1, 2]。日本航空航天局、东北大学和东京大学对快响应PSP技术进行了大量研究工作,从火箭整流罩非定常压力测量[10]到三角翼[11, 12]以及高超飞行器[13]的非定常试验都用到了此技术。德国宇航中心将快速响应PSP技术应用到二维翼型动态压力测量[14]和超燃冲压发动机进气道[15]的研究中。国内的航空工业空气动力研究院引进美国ISSI公司的快响应PSP技术,目前正处于设备的应用调试阶段。

航天空气动力技术研究院对PSP技术进行了多年的研究与应用,自主研发了PSP实验整套设备和数据处理软件,掌握了常规PSP实验技术。在此基础上,与中科院化学所合作研发了快响应涂料,研制出动态、静态标定装置和风洞试验设备。在高超风洞中开展了一系列试验,清晰准确地捕捉到了激波与边界层干扰引起激波振荡的过程。试验结果表明自主研发的快响应PSP试验技术具备了非定常压力场测量能力。 1 快响应PSP技术原理

压敏涂料(PSP)技术的基本原理是压敏涂料探针分子的光致发光和氧猝灭效应。当用适当波长的光照射时,压敏涂料被激发出更长波长的荧光。由于氧气分子的对探针分子的“氧猝灭效应”,氧分压(即当地静压)越高荧光减弱得越严重。通过测得某处的荧光光强就可得到该处的压力。按照Stern-Volmer公式来处理压强与光强之间的定量关系:

式中:ppr分别表示试验压力和参照压力,IIr分别表示试验光强和参照光强。AB是压敏涂料的光强-压力换算系数,它们由压敏涂料静态标定曲线确定。通常用一个大气压下的光强表示参照光强Ir,一个大气压表示参照压力pr

PSP涂料由发光材料和凝结材料组成,PSP涂料中氧气扩散达到稳态的响应时间表示为:

式中:h是涂层厚度,D是氧气扩散率。因此,PSP涂料的压力响应时间随着PSP涂层厚度增加显著增加,随着氧气扩散率的增加而降低。由此可见,快速响应PSP技术的关键是降低涂层厚度并增加氧气扩散率。 2 快响应PSP涂料及标定装置

常规PSP涂料由PSP发光基团和粘结剂组成,其响应时间通常在1s量级左右,无法用于非定常流动的测量。本文的快响应PSP涂料由中国航天空气动力技术研究院和中国科学院化学研究所共同研制。涂料的激发光源为波长365nm紫外光源,激发出的荧光发射波长区域为600~700nm,如图 1所示。该涂料由聚合物形成多孔性的涂层结构,荧光探针分子包含在这些微孔之中,增大了空气接触面积,使得响 应扩散率增加即降低了反应时间。用PtTFPP作为 发光基团,其稳定性较强,在持续光照下发光强度衰 减为1.5%/h。相比AA-PSP只能用于纯铝模型,这种涂料可以很容易地喷涂于各种模型表面,耐用性 高,能经受住高速气流冲刷。

图 1 快响应PSP涂料的发射光谱 Fig. 1 Emission spectra of the fast response PSP

压敏涂料静态标定装置如图 2所示。压敏涂料 样片被放置在压力和温度分别由真空泵和低温循环机控制的压力腔内,在不同压力和温度条件下,使用用和风洞实验相同的光源照射,并利用相同的相机进行拍摄得到相应的图像组,对图像处理后得到光强-压力曲线。由于风洞实验过程采集到的模型表面温度稳定在30℃左右,实验过程压力范围小于100kPa,因此标定的温度范围为25℃~35℃,压力范围为10~100kPa。压敏涂料的压力光强性能曲线如图 3所示。其光强压力性能曲线是非线性的,可用二次多项式描述其特性。

图 2 PSP静态标定装置 Fig. 2 Static calibration device

图 3 PSP涂料压力光强对应性能曲线 Fig. 3 Calibration curves at different temperatures

针对快响应PSP涂料需要非常快的压力阶跃的要求,研制了2套动态标定装置:电磁阀压力跳变装置和脉冲射流动态标定装置。

电磁阀压力跳变装置分为3个主要部分,第一部分是真空腔,样片放置在真空腔内,压力阶跃在该部分产生。第二部分是实验光路,由PSP样片、紫外光源、滤光片、透镜、二向色分光镜和光学调整元件组成。为了减少紫外光信号对PMT的影响,光路成90°垂直排列。第三部分是光强信号探测设备PMT和高速数据采集器,用于探测PSP涂料辐射出的光强信号强度以及发生阶跃的时间,其对光信号的响应时间为6ns,对于测量压敏涂料的响应时间来说是最好的探测设备。

电磁阀压力跳变装置原理图和实物如图 4所示。其工作过程为:在排气电磁阀控制下,压力腔的压力阶跃在1ms左右完成,PSP样片在激发光源照射下由于压力阶跃产生光强阶跃。压力阶跃的时间被Kulite传感器记录下来,光强阶跃的时间被PMT记录下来。分析光强阶跃的时间曲线,能得到PSP对压力变化的响应时间,与Kulite传感器得到的响应过程跟随性对比,如图 5所示。

图 4 电磁阀动态标定装置原理图和实物图 Fig. 4 Schematic and photo of solenoid valve dynamic calibration device(pressure chamber)

图 5 电磁阀动态标定装置PSP和Kulite同步跳变 Fig. 5 Synchronous jump of PSP and Kulite

由于电磁阀动态标定装置本身的压力跳变过程大于1ms,因此对比同时采集的Kulite压力传感器数据,PSP光强信号与Kulite压力信号虽然几乎同时发生跳变,但不能验证涂料的绝对响应时间。进一步改进的脉冲射流动态标定装置如图 6所示,用高压氮气作为气源高速冲击样片,使样片表面被氮气包围产生零氧条件从而产生瞬时脉冲,获得压力阶跃,脉冲射流装置能够产生的压力阶跃时间低于0.1ms,更适合用来检测涂料的实际响应时间。

图 6 脉冲射流动态标定装置 Fig. 6 Pulsating jet dynamic calibration device

经过不同的动态标定装置测试检验,不断改进涂料性能,快响应PSP涂料的响应时间达到0.2ms。这个响应时间已经能满足非定常压力测量的需求。典型的PSP压力阶跃信号如图 7所示。

图 7 PSP响应时间达到0.2ms Fig. 7 Response time of porous PSP
3 风洞试验装置

PSP试验在航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞进行,风洞喷管截面尺寸为170mm×170mm,Ma=5,p0=1MPa,T0=380K。试验模型为平板加直立圆柱,测量激波边界层干扰引起的非定常压力变化。平板尺寸为330mm×200mm,前缘与喷管出口底板相接。圆柱直径D=25mm,高度H为25和50mm,喷涂模型如图 8所示。待涂层干燥后清洁风洞,连接压力扫描阀,测温传感器等。调节试验光路,用紫外光源在试验段两侧照射模型,相机在试验段顶部拍摄,试验方案如图 9所示,风洞试验装置如图 10所示。

图 8 带有测压孔的平板圆柱模型及喷涂过的平板表面Fig. 8 Cylinder/flat plate configuration and painted flat plate

图 9 高超圆柱绕流PSP试验方案Fig. 9 Schematic of the wind tunnel test

图 10 风洞试验装置图Fig. 10 PSP measurement system installed at hypersonic wind tunnel

试验所用相机为Photron SA5高速相机,位深为12bit,感光灵敏度为ISO 4000。在分辨率为1024pixel×1024pixel的条件下其采集频率可达到7000帧。本次试验分别采集了125帧/s和250帧/s的试验图像,每次试验都连续采集500张吹风状态下的图像,然后采集50张无风状态下的参考图像。50mm焦距的镜头安装在高速相机上,将光圈调到最大以最大程度地接受PSP辐射出的荧光。在镜头前安装650±10nm的带通滤光片,防止其它波段光线的干扰。试验光源为2个400W的氙灯紫外光源。

PSP试验的同时,用一台8400型压力扫描阀测量80个测压点的压力,压力扫描阀精度为±0.05%F.S.。3个Pt100温度传感器用于测量模型温度,经测量,实验过程中模型温度保持在25℃~35℃,因此涂料标定也在这个温度范围内。 4 试验数据处理及结果

风洞试验采集的图像包括在风洞停止时采集的参考图像和风洞运行时采集的试验图像。所有图像都减去暗噪声图像,所有参考图像平均为一张参考图像,吹风时采集的试验图像保持时间连续进行批量处理。数据处理工作利用图像处理软件PSPro完成,该软件具备的功能包括:图像去噪,特征点提取,图像配准,图像增强,伪彩色变换,压力数据计算,压力数据提取等。图像处理程序界面如图 11所示。

图 11 图像处理软件界面Fig. 11 Interface of software

由于PSP涂料的光强-压力性能曲线表现出非线性关系,压力数据用公式(3)计算:

PSP试验前进行了油流和纹影试验,如图 12所示。油流图显示了分离线位置。纹影图上能清晰观察到分离激波,弓形激波和λ波。这2种测量方法很好地显示了定常流场结构,圆柱绕流的流场结构如图 13所示。

图 12 油流和纹影图(Ma=5,H/D=2)Fig. 12 Flow fields around the cylinder (Ma=5,H/D=2)

图 13 流场结构示意图Fig. 13 Flow fields around the cylinder (Ma=5,H/D=2)

图 14 Ma5圆柱绕流非定常压力变化过程前20ms图像,采集频率250帧/s Fig. 14 The first 20 ms image of Ma 5 Unsteady pressure behavior around the cylinder,250 frames/s

H50圆柱对应前20ms的非定常PSP测量结果如图 13所示。从得到的结果可以清晰地观察到高超声速情况下圆柱绕流激波振荡的过程。从风洞试验结果看,PSP快响应涂料和风洞试验系统能够适应高超声速风洞环境,压力场显示结果很好。

8400型压力扫描阀用于静态测压,本次实验利用其结果反应PSP试验采集非定常压力数据的能力,实验中采集了几组扫描阀静态测压结果,取其均值作为单点压力对比数据。而PSP数据能很好地反映出非定常流动的过程。计算得到的PSP测压数据与测压孔测量数据吻合较好,部分对比结果如图 15~18所示。

图 15 测压孔与PSP测压数据对比截面1Fig. 15 Pressure section 1

图 16 前12msPSP测压截面1和对应的压力孔数据对比Fig. 16 PSP data compared to PSI data on section 1

图 17 测压孔与PSP测压数据对比截面2Fig. 17 Pressure section 1

图 18 前12msPSP测压截面2和对应的压力孔数据对比Fig. 18 PSP data compared to PSI data on section 2
5 结 论

介绍了自主研发的快响应PSP涂料和标定设 备,经过不断改进,快响应PSP涂料响应时间达到 0.2ms。通过在Ma5高超声速风洞中对圆柱绕流的 非定常压力场测量,获得了时间序列的压力场数据,与测压孔数据相比其空间分辨率高,数据量大,能捕捉到流动的非定常效应。试验验证了PSP涂料和试验系统性能稳定,表明快响应PSP技术是研究非定常流场的有力工具。

参考文献
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http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20140108
中国航空学会和北京航空航天大学主办。
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向星居, 熊红亮, 袁明磊, 于靖波, 陈柳生, 王智栋
Xiang Xingju, Xiong Hongliang, Yuan Minglei, Yu Jingbo, Chen Liusheng, Wang Zhidong
快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量
Unsteady pressure measurement around circular cylinder in hypersonic flows using fast response PSP
实验流体力学, 2015, 29(3): 54-61
Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(3): 54-61.
http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20140108

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收稿日期:2014-09-25
修订日期:2015-01-20

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