2. 中国科学院 化学研究所, 北京 100190
2. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
0 引言
温敏涂料技术(TSP技术-Temperature Sensi-tive Paint)利用光学技术实现风洞模型(试件)表面温度分布的测量,它的基本原理是探针分子(TSP涂料中的活性成分)的荧光温度猝灭效应。它是一种非介入式"的空气动力学试验技术,不需要对试件进行特别加工,对风洞流场不会产生影响,可以得到高品质的试验数据,并且由于TSP技术采用大面积喷涂的作业方式,所以能够获取整个试件表面准连续的温度分布数据。
TSP技术是同PSP技术同步发展起来的一种空气动力学试验技术。在航空航天技术发达的美国、欧洲和俄罗斯(前苏联)等国家和地区,TSP/PSP技术已经取得了突破性进展，在90年代末20世纪初进一步发展达到了比较成熟的状态，LIU等对TSP/PSP理论和应用情况进行了系统的阐述[1]，AEDC在2006年已经建立了完善的模型全局准实时PSP压力测量风洞试验系统[2]，并应用于型号风洞试验，开始了大规模的生产型应用。对于TSP技术而言，目前看到的研究和应用，多集中于高超声速风洞[3, 4]和低温风洞中[5, 6, 7]，近年也有在其他方面的应用，比如Erich Schulein首先应用33~10 cm的EVO-RC木质螺旋桨模型对TSP转捩探测技术进行了研究，后在Airbus Bremen的BLSWT风洞中应用直径0.392 m，具有8个叶片的螺旋桨进行了TSP转捩检测技术试验[8]。
我国在PSP技术研究方面，起步相对较晚，但是经过不断的努力，目前已经初步具备了进行生产型应用的能力。张永存、陈柳生、尚金奎、周强等对PSP涂料及其在风洞中的应用和数据处理技术进行了较为深入的研究[9, 10, 11, 12, 13]。在TSP研究方面，我国目前仍处于研究的起步阶段，但也有多家科研机构和大专院校在进行相关研究：长春理工大学的孙晶等对TSP探针分子及其特性进行了持续的研究[14]；张扣立等在中国空气动力研究与发展中心0.6 m激波风洞中对TSP转捩检测技术进行了研究，研究中使用了金属框架加配玻璃钢平板的实验模型，在玻璃钢平板模型上喷涂TSP涂料并设置了薄膜热流传感器，同时应用TSP技术和薄膜热流传感器技术获得了模型表面的转捩位置，并对两种技术获得的转捩结果进行了比较[15]；周嘉穗等在中国空气动力研究与发展中心 0.6 m激波风洞中应用温敏发光热图技术和铂薄膜热流传感器对带尖前缘平板钝舵模型表面的热流分布进行了研究[16]；中国科学院化学研究所的陈柳生等也在对TSP涂料进行研究，目前已经取得了一定的成绩，本研究中使用的TSP涂料就是由中国科学院化学研究所与中航工业空气动力研究院联合研制的。
TSP技术用于转捩位置检测的基本原理是通过检测模型表面层流区与湍流区之间的温度差，对层流区与湍流区进行区分。本研究着重于发展一种应用于暂冲式亚跨声速风洞的模型表面转捩位置检测技术，研究中使用了NACA0012二元翼型为测试对象，在小型研究型风洞中进行了荧光强度法的TSP转捩检测技术试验研究。
1 预备知识 1.1 TSP技术基本知识TSP技术是一种绝对温度测量技术，它主要通过探针分子的荧光温度猝灭效应，在TSP荧光强度和当地环境温度之间建立联系。所谓探针分子的荧光温度猝灭效应是指模型表面TSP涂层所发出的荧光强度随着当地环境温度的升高而降低的现象，其本质是TSP涂料中的探针分子受到激发光照射后，吸收激发光能量而处于激发态，这种处于激发态的探针分子是不稳定的，它能够通过向环境发出光子而回到基态，但随着环境温度的升高，探针分子发光能力减弱或降低，也就是说，随着环境温度的升高，越来越多的处于激发态的探针分子会失去了发光的能力，从而使模型表面的TSP涂层在整体上表现为荧光强度减弱。
TSP涂层主要由基层和活性层组成，其中基层一般为白色涂层，主要目的是在模型表面和活性层间建立物理隔离，并反射激励光和活性层发出的荧光，这在客观上增强了活性层出射荧光的强度，有利于增大TSP涂层荧光图像信噪比，图 1是TSP涂层基本结构及试验原理示意图[1]。
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| 图 1 TSP涂层基本结构及试验原理示意图 Fig. 1 TSP coating formation and test theory scheme |
TSP转捩检测试验系统(图 2)通常由激励光源系统、图像(数据)采集记录系统、校准系统和数据处理系统等几个部分组成。其中激励光源用于照射TSP涂层，使TSP涂层中的探针分子处于激发态，并发出适当强度的荧光，通常使用的激励光源波长在300~500 nm，TSP发出的荧光波长通常在500~700 nm之间，主要的激励光源包括LED灯、氙灯及激光器等；图像(数据)采集记录系统用于采集并记录TSP涂层所发出的荧光，通常使用的图像(数据)采集记录系统包括CCD相机、PMT、PDA等；校准系统主要用于在试验前建立TSP涂层温度与荧光强度之间的关系曲线(实验室校准曲线)；数据处理系统主要用于处理试验中获得的试验数据，修正各种误差，并结合实验室校准曲线将试验中获得的荧光信息转换为温度数据，用于判断转捩。
1.3 TSP技术应用于模型转捩检测的原理
TSP技术是一种光学测量技术，TSP涂层通过发射不同强度的荧光来反应它所感受到的环境温度(基于荧光强度的方法)。模型表面气流发生转捩后，转捩前的层流区热交换系数较小，而转捩后的湍流热交换系 数较大，当气流与模型之间存在一个温度差时，由于层流区与湍流区之间存在的这种热交换率的差异，使得模型表面层流区与湍流区之间产生一个温度差。TSP技术应用于模型表面转捩位置检测就是基于模型表面层流区与湍流区之间存在的这个温度差。
在亚跨声速及不太高的超声速条件下，气流摩擦生热非常有限，当模型表面温度高于气流温度时，由于湍流区热交换系数大，所以气流将带走更多的热量，模型表面表现为湍流区温度较层流区低，即此时湍流区TSP涂层荧光强度更高。反之，当模型表面温度低于气流温度时，湍流区将会从气流中吸收更多热量，表现为湍流区温度较层流区高，即此时湍流区TSP涂层荧光强度较层流区更低。为了使模型表面层流区与湍流区之间产生足够的温度差，通常可以采用两种途径，其一，加热或制冷模型；其二，加热或制冷气流。
在高马赫数条件下，由于气流的摩擦生热可以在模型表面层流区与湍流区之间产生显著的温度差，TSP技术可以直接利用这个温差来区分模型表面的层流区与湍流区。
2 涂料、试验设备和模型 2.1 TSP涂料TSP涂料是TSP技术的物质载体，其性能对试验效果起着决定性影响。TSP涂料通常包含底层涂料和活性层涂料，其中底层涂料一般由TiO2和树脂组成，其主要作用是在模型表面和TSP活性层之间建立物理隔离，而且白色的底层涂料也具有反射激励光及活性层荧光的作用。活性层中包含用于产生荧光的探针分子、载体及固化剂等，其中的探针分子在特定波长激发光的照射下，能够发出一定波长的荧光，通常情况下这个荧光的波长比激发光长。
本研究中使用的616型TSP涂料是专门为暂冲式跨声速风洞转捩检测试验研制的，这种涂料温度适用范围约为-20 ℃~80 ℃，激发波长为400 nm，荧光中心波长在650 nm左右，压力敏感度指标接近于0，温度敏感度指标在低温段较低，随着温度的升高其温度敏感度指标增长较快，但由于温度猝灭效应的作用，其在高温段荧光强度较弱，在30 ℃附近时温度敏感度指标约为2%/℃，涂料10 ℃~40 ℃的I/Iref -t实验室校准曲线见图 3。
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| 图 3 TSP涂料实验室校准曲线 Fig. 3 TSP calibration curve |
研究中使用的风洞为中航工业空气动力研究院模型风洞，它是一座研究性质的暂冲下吹式亚、跨声速风洞，具有一个截面尺寸为214 mm×214 mm(宽×高)的试验段，M数范围为0.4~1.2。
试验中使用的模型是由中航工业空气动力研究院设计、加工的NACA0012二元翼型(图 4)，模型材质为电木。模型展长214 mm，弦长100 mm。
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| 图 4 试验中使用的喷涂有TSP涂料的NACA0012 Fig. 4 Painted TSP NACA0012 model |
研究中使用的TSP转捩检测试验系统主要包括LM2XX-DM型LED光源(图 5)、AVT GX1050型CCD相机、专用校准系统以及应用MATLAB开发的数据处理软件。其中LM2XX-DM型LED光源中心波长为400 nm，光功率为8~12 W，AVT GX1050型CCD相机最大分辨率1 024×1 024，灰度阶14 Bit，试验过程中其镜头前安装了长通滤光片。
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| 图 5 LM2XX-DM型LED光源 Fig. 5 LM2XX-DM LED |
一般来说，对于一个确定的TSP转捩检测试验系统，使用更高温度敏感度的TSP涂料将得到更高质量的转捩图像。从图 3中的实验室校准曲线来看，616型TSP涂料随着温度的升高，其温度敏感度增大。但由于TSP涂料是一种高分子材料，过高的温度将使其遭到破坏，本研究中对模型进行了加热，加热温度约为60 ℃，这样即能够保证TSP涂层不被破坏，在激励光源的照射下能够产生足够亮度的荧光，同时也提高了TSP涂层的温度敏感度，而且对模型加热也会增大风洞气流与模型之间的温度差，进而起到增大模型表面层流区与湍流区之间温差的效果。
在试验设计方面，试验采用了固定模型迎角进行吹风的模式，每一个试验车次完成一个试验状态的图像(数据)采集，试验时M数为0.4，试验迎角为0°~-4°。
试验进行前，首先采集了未吹风状态下的基准图像和基准暗图像。试验过程中，依次完成试验前暗图像、试验前参考图像、试验中运行图像、试验后参考图像和试验后暗图像采集，其中试验前暗图像和试验后暗图像分别是在试验前、后关闭LED光源的情况下采集的，试验前参考图像和试验后参考图像分别是在试验前、后LED光源处于打开且风洞无风的状态下采集的，试验中运行图像是在风洞开车且LED光源处于打开状态下采集的。
需要说明的一点是首先采集的未吹风状态下的基准图像和基准暗图像是在模型加热前采集的，用作整个实验的基准图像，实验过程中采集的试验前暗图像及参考图像是在模型加热后，进行每个风洞吹风车次之前采集的。
进行数据处理时实际使用了未吹风状态下的基准图像和暗图像、试验中运行图像以及试验后暗图像，试验过程中采集的其他图像主要用于试验数据的校验和检查。其中未吹风状态下的基准图像作为参考状态图像使用。
3.2 数据处理在一定温度范围内，TSP涂料荧光强度和绝对温度之间的关系可以用阿列纽斯(Arrhenius)公式描述[1]：
式中，I(T)表示当地环境温度下TSP涂层发出的荧光强度，I(Tref)表示参考(或基准)状态下TSP涂层发出的荧光强度，这两个参数通常是使用CCD相机记录的模型表面TSP涂层的荧光强度图像；Enr是无辐射过程活化能；R是通用气体常数；Tref是参考温度,K；T是当地环境温度,K。通常，在实际使用时也使用下面的经验公式[1]： 式(2)中，f(T/Tref)可以是一个多项式、指数形式或其他形式的函数。
在风洞试验时通常需要采集多组图像进行平均处理，以尽可能的提高数据的可靠性和精准度，而且由于试验过程中通常会有模型的震动位移及一定的形变，所以在应用公式(2)进行数据处理前，需要对CCD相机采集的图像进行一定的处理，包括图像对准、形变修正、背景去除等操作。结合2.1部分中的实验室校准曲线和公式(2)就可以得到模型表面的温度分布，进而判断模型表面存在的转捩。
4 试验结果与分析图 6显示了马赫数0.4，模型迎角由0°变化到-4°情况下模型表面的温度分布(相对量)情况。
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| 图 6 M0.4 NACA0012模型表面转捩结果图像 Fig. 6 Transition pictures of NACA0012 at M=0.4 |
本研究中，模型在风洞试验前被加热，模型本身为热体，风洞气流为冷体，由于湍流区热交换系数比层流区大，湍流气流带走了更多的热量，湍流区模型表面温度比层流区低，所以总体上，图中湍流区颜色向低温区偏离，层流区颜色向高温区偏离。
图 6中标记数字处(1到12)为标记点所在位置，标记点是粘附在TSP涂层表面的，其沿流向在模型表面设置了4个，沿展向设置了3行，组成了一个3行4列的标记点阵列。从客观上看，标记点起到了转捩柱或粗糙元的作用，在模型前缘附近的标记点(第7、9、11标记点)后气流发生了转捩，这在图中可以非常清晰的看到，前缘附近标记点后拖出了尖劈状的湍流区，随着模型迎角向负角度增大，模型表面层流区面积向下游扩展，尖劈状的湍流区也被“抻长”。
图 6中也有一些前部没有标记点的湍流“尖劈”区，即这些湍流区不是由于标记点引起的。通过对试验后模型的检查发现，有一些杂质粘附到了模型前缘附近。同时在TSP喷涂时由于喷涂工艺及施工环境的影响，在模型表面TSP涂层中也有一些颗粒状的物质。粘附在模型前缘附近的杂质和TSP涂层中的颗粒物可能是造成气流转捩的原因。另外，在模型后缘附件存在一个明显的“高温区”，特别是随着迎角的变化，这个区域表现的越来越明显，这是由于在TSP涂料喷涂到模型上后，TSP涂料由于重力的作用流动到模型后缘并积聚，形成了一个涂层厚度远大于正常厚度的区域，可能是由于热量蓄积原因，导致了这个区域随着试验时间的延长，表现的与其他区域的温差增大。
另外，图 6中的模型后部区域相对于中部的湍流区表现为高温区，这明显不是一种正常现象，可能的原因是模型后部与CCD相机或光源照射角度过大，另外，图像对准偏差也可能是重要原因之一，这需要在后续试验中进一步研究。
5 结论与展望根据TSP转捩检测技术的特点和需要搭建了一套TSP转捩检测试验系统，研发了适用于暂冲式跨声速风洞的TSP涂料，在研究型风洞中应用NACA0012二元翼型进行了转捩位置检测试验研究，获得了模型表面的转捩位置。
从本研究来说得到的是一个初步结果，由于研究关注于TSP转捩检测技术应用，重点在于模型表面的温度梯度，没有进行具体的温度测量，这是后续需要研究的一个重要方向。
总体上来说，TSP转捩检测技术研究在我国处于起步阶段，有许多问题需要深入研究，比如TSP涂料性能指标的提升、温度测量数据的修正和校准、转捩位置的判读和准确性等。
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