擴(kuò)壓葉柵剪敏液晶試驗(yàn)與圖像處理

高麗敏， 李永增， 張帥， 蔡明

1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院， 西安 710072 2.西北工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心， 西安 710072

擴(kuò)壓葉柵剪敏液晶試驗(yàn)與圖像處理

高麗敏1,2,*， 李永增1,2， 張帥1,2， 蔡明1,2

1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院， 西安 710072 2.西北工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心， 西安 710072

基于剪敏液晶涂層(SSLCC)材料的光學(xué)特性，發(fā)展了適合于內(nèi)流場(chǎng)狹小空間環(huán)境下的SSLCC邊界層流動(dòng)顯示技術(shù)：設(shè)計(jì)并加工了微型攝像頭-發(fā)光二極管(LED)組合式圖像采集設(shè)備解決拍攝光路問題；基于二維SSLCC圖像與三維模型的空間映射關(guān)系，建立了真實(shí)模型的三維重構(gòu)方法；通過SSLCC圖像光譜Hue色相值轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了液晶圖像信息的定量分析。以西北工業(yè)大學(xué)高亞聲速平面葉柵風(fēng)洞為平臺(tái)，開展了某擴(kuò)壓葉柵吸力面邊界層流態(tài)的剪敏液晶流動(dòng)顯示試驗(yàn)。結(jié)果表明：所發(fā)展的剪敏液晶顯示技術(shù)可進(jìn)行葉柵內(nèi)流場(chǎng)邊界層的流態(tài)測(cè)量；所建立的圖像處理方法可為邊界層流動(dòng)特征的辨識(shí)及其特征位置確定提供技術(shù)支撐；在來流馬赫數(shù)為0.12、攻角為0° 的條件下，葉片吸力面邊界層沿流向依次經(jīng)歷了層流邊界層分離、再附著及轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)的過程，且邊界層的發(fā)展受葉柵角區(qū)分離流動(dòng)影響，造成其前緣分離區(qū)減小，再附著點(diǎn)和邊界層轉(zhuǎn)捩位置向前緣移動(dòng)。

剪敏液晶涂層(SSLCC)； 風(fēng)洞； 葉柵； 邊界層； 圖像處理

壓氣機(jī)內(nèi)部邊界層流動(dòng)對(duì)其性能有著重要的影響。一方面，邊界層分離流動(dòng)誘發(fā)葉片通道的阻塞，進(jìn)而引起壓氣機(jī)不穩(wěn)定工作；另一方面，邊界層的流動(dòng)狀態(tài)顯著影響固體壁面與流體之間的熱傳導(dǎo)特性，從而影響整機(jī)性能。影響邊界層流動(dòng)特性的因素眾多，在當(dāng)前尚無完善的轉(zhuǎn)捩、湍流模型的情況下，對(duì)邊界層的數(shù)值研究及預(yù)測(cè)存在很大的局限性。因此，開展邊界層流動(dòng)的試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)葉片邊界層流動(dòng)的測(cè)量方法多基于磨阻天平、靜壓孔、邊界層耙等[1]，這些測(cè)量方法引入的測(cè)量裝置會(huì)干擾流場(chǎng)，而且其單點(diǎn)測(cè)量的方式無法同時(shí)獲得連續(xù)面域結(jié)果。隨著實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的發(fā)展，Laser Doppler Velocimetry (LDV)[2]、Particle Image Velocimetry (PIV)[3]、熱膜[4]等先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)也被應(yīng)用其中，但其較高的操作難度和成本限制了其廣泛應(yīng)用?；诩裘粢壕繉?Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating, SSLCC)的流動(dòng)顯示技術(shù)是近20年發(fā)展起來的一種非接觸光學(xué)流動(dòng)顯示技術(shù)[5-6]，利用剪敏液晶涂層在剪切作用下反射不同波長可見光的特性測(cè)量表面剪切應(yīng)力，具有流場(chǎng)干擾小、能實(shí)現(xiàn)面域測(cè)量、結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)，已被用在飛行器試驗(yàn)中[7-12]，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

目前多數(shù)SSLCC的應(yīng)用仍局限在平板或機(jī)翼翼面等小曲率大尺度模型條件下進(jìn)行[13-16]。對(duì)于葉輪機(jī)械轉(zhuǎn)子或葉柵流場(chǎng)等內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用較少，一方面由于空間尺寸等條件限制了試驗(yàn)中的光路布置，另一方面由于試驗(yàn)件曲率較大，所拍攝二維圖像扭曲變形嚴(yán)重，流場(chǎng)識(shí)別存在一定困難。

基于剪敏液晶的光學(xué)特性，結(jié)合內(nèi)流場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境的特點(diǎn)，本文對(duì)葉柵風(fēng)洞吹風(fēng)條件下擴(kuò)壓器葉柵邊界層流動(dòng)顯示技術(shù)進(jìn)行了探索，發(fā)展了基于圖像三維重構(gòu)及Hue值分析的圖像后處理方法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)葉片邊界層流動(dòng)測(cè)量，并基于SSLCC圖像研究了葉片邊界層流態(tài)發(fā)展規(guī)律。

1 剪敏液晶流動(dòng)顯示原理

剪敏液晶材料具有螺旋狀的分子排列結(jié)構(gòu)(見圖1[9])，其螺距與可見光波長相當(dāng)，在白色光照射下，所反射可見光的波長與螺距成比例。吹風(fēng)環(huán)境下，壁面邊界層黏性剪切作用使液晶分子排列結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化(螺距、螺旋軸傾角改變)，而造成其反射可見光的波長產(chǎn)生變化，從而呈現(xiàn)出不同的顏色[5]。而邊界層流動(dòng)狀態(tài)的改變?cè)斐绅ば约羟袘?yīng)力的變化，液晶分子結(jié)構(gòu)也隨之改變，最終表現(xiàn)為剪敏液晶涂層顏色的差別。由此，可建立起涂層顏色與邊界層流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊界層流動(dòng)狀態(tài)辨識(shí)。

此外，液晶材料顯色具備極強(qiáng)的方向性，如圖2(a)所示，當(dāng)視角與氣流方向同向時(shí)，觀察到的涂層色彩變化最明顯；反之，如圖2(b)所示，視角與氣流方向相反時(shí)，涂層顏色變化最弱，幾乎看不到變化。因此，通過合理設(shè)計(jì)光路布局，剪敏液晶涂層可用于邊界層分離區(qū)的識(shí)別[16]。

圖1 剪敏液晶分子結(jié)構(gòu)[9] Fig.1 Molecular structure of shear-sensitive liquidcrystal[9]

圖2 剪敏液晶涂層顯色的方向特性[9]Fig.2 Directional color rendering properties of SSLCC[9]

2 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(葉柵分室)的葉柵風(fēng)洞完成，其葉柵進(jìn)口最大馬赫數(shù)Mamax=0.9，風(fēng)口面積為100 mm×50 mm。試驗(yàn)使用擴(kuò)壓器葉柵如圖3所示，該葉柵共6個(gè)葉片，葉片弦長為56.73 mm，柵距為50 mm，葉型彎角約28°。

試驗(yàn)使用英國Hallcrest公司生產(chǎn)的CN/R3型剪敏液晶，該型液晶屬于膽甾相(Cholesteric)液晶，在0～65 ℃的范圍內(nèi)對(duì)溫度不敏感，黏性值為4.5 Pa·s。為了避免葉片自身反光對(duì)結(jié)果的影響，在噴涂涂料前首先在葉片表面噴涂一層黑色底漆，之后將用丙酮稀釋后的涂料均勻噴涂在葉片表面，最終噴涂效果如圖4所示，在無應(yīng)力狀態(tài)下液晶涂料呈均勻的暗紅色。

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)所用葉柵Fig.3 Cascade for wind tunnel test

圖4 噴涂SSLCC的葉片F(xiàn)ig.4 Blade coated with SSLCC

為保證葉柵的特性，試驗(yàn)葉片處于葉柵的中間位置，葉片之間存在遮擋，此外葉形彎角導(dǎo)致葉片型面曲率較大，加之葉柵風(fēng)洞幾何尺寸狹小，試驗(yàn)中圖像采集設(shè)備及光源的空間布置面臨巨大困難。為了解決風(fēng)洞內(nèi)的光路布置及圖像采集問題，本文設(shè)計(jì)并加工了如圖5所示的微型攝像頭和發(fā)光二極管(LED)組合式圖像采集裝置，其分辨率為320像素×240像素，光源色溫約6 500 K，整體尺寸約35 mm×9 mm。安裝狀態(tài)下，傳感器迎風(fēng)面積小于50 mm2。如圖6所示，組合式傳感器安裝在距葉柵前緣約10 cm的風(fēng)洞壁面，避開所拍攝葉片的來流方向，盡可能減小對(duì)來流的影響。

圖7為未吹風(fēng)狀態(tài)下拍攝效果。光源較好照亮葉片表面的SSLCC，能清晰地分辨出葉片表面全部10個(gè)靜壓孔位置，由靜壓孔的弦長坐標(biāo)可知，所拍攝圖像覆蓋了0～80%弦長范圍內(nèi)除前緣角區(qū)外的絕大部分葉片，滿足試驗(yàn)中圖像采集的要求。

圖5 微型攝像頭-LED圖像采集裝置Fig.5 Microcamera-LED image acquisition device

圖6 圖像傳感器安裝位置Fig.6 Installation position of the image sensor

試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖8所示，通過風(fēng)洞控制裝置調(diào)節(jié)風(fēng)洞來流工況，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)端的圖像采集軟件控制圖像傳感器進(jìn)行拍攝。

圖7 圖像傳感器風(fēng)洞內(nèi)拍攝效果 Fig.7 Image taken by the image sensor in the windtunnel

圖8 測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of the measurement system

3 試驗(yàn)圖像后處理

3.1 涂層圖像的三維重構(gòu)

圖9 i=0°、Ma=0.12工況葉片原始圖像Fig.9 Raw image of the blade at i=0° and Ma=0.12

圖9為氣流攻角i=0°、Ma=0.12下所拍攝的原始圖像，顯然，采用本文設(shè)計(jì)的圖像采集裝置及方案能清晰地捕捉到SSLCC圖像。然而，由于葉片表面的彎曲以及拍攝角度引起的透視效果，原始圖像不可避免地存在扭曲、變形。為了獲得所拍攝二維圖像與真實(shí)葉片之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文將課題組發(fā)展的光學(xué)測(cè)量試驗(yàn)圖像三維重構(gòu)方法[17-19]進(jìn)行了應(yīng)用，采用直接線性轉(zhuǎn)換公式對(duì)所獲得的剪敏液晶圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，其表達(dá)式為

國際市場(chǎng)：國際磷酸二銨價(jià)格漲跌互現(xiàn)。需求方面，受盧比貶值影響，印度對(duì)中國貨源的采購進(jìn)一步放緩。自4月份至今，印度已采購二銨420萬噸，后期仍存需求缺口。上周印度市場(chǎng)共采購20萬噸二銨，中國貨源5萬噸，成交價(jià)CFR 428美元/噸，其他來自約旦、沙特和美國。巴基斯坦國內(nèi)銷售增加，二銨庫存量走低。中國企業(yè)報(bào)價(jià)堅(jiān)守FOB 415美元/噸左右，企業(yè)持續(xù)挺價(jià)。

(1)

(2)

式中：x、y為試驗(yàn)所拍攝二維圖像的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；X、Y、Z為葉片表面標(biāo)記點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)；L1～L11為11個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。將葉片表面標(biāo)記點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的圖像中二維像素坐標(biāo)代入式(1)、式(2)，利用最小二乘法求解得到的矛盾方程組,獲得變換系數(shù)L1～L11，從而得到轉(zhuǎn)換公式。依次將葉片表面的三維空間坐標(biāo)代入直接線性轉(zhuǎn)換公式,將二維圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的信息賦予三維模型。

三維重構(gòu)后某角度下葉片剪敏液晶圖像如圖10所示。經(jīng)過重構(gòu)，原始圖像上的二維色彩信息被映射到葉片的三維空間曲面上，獲得了真實(shí)葉片表面的SSLCC圖譜；而且可以根據(jù)研究需要，提取任意位置和方向上的色彩信息，為進(jìn)一步分析邊界層流動(dòng)特征提供了條件。

圖10 某角度下三維重構(gòu)后的SSLCC圖像Fig.10 Image of SSLCC after 3D reconstrution at some view

3.2 涂層顏色圖譜Hue值轉(zhuǎn)化

對(duì)于色彩信號(hào)的分析通常借助于孟塞爾色彩坐標(biāo)系[20]，使用色相值Hue表示不同的顏色，Hue值與可見光波長一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于剪敏液晶而言，所感受的剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)確定的反射光波長，因此，SSLCC圖像的真實(shí)色譜是邊界層黏性剪切應(yīng)力的單值函數(shù)，通過對(duì)剪敏液晶材料進(jìn)行標(biāo)定[21-23]，便可以建立起涂層色譜Hue值與剪切應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。

在研究擴(kuò)壓器葉柵邊界層流動(dòng)時(shí)，往往不關(guān)心邊界層黏性剪切應(yīng)力的絕對(duì)值，而更關(guān)注葉片邊界層流動(dòng)的發(fā)展變化特征，因此，在視角一定的前提下，分析剪敏液晶圖像Hue值的變化趨勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層流動(dòng)特征的辨識(shí)。

圖像采集裝置所拍攝的剪敏液晶彩色圖像為RGB格式圖像，其Hue值的轉(zhuǎn)化為

(3)

(4)

式中：R、G、B分別代表色彩的紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(Blue)分量。

將葉片SSLCC圖像中每個(gè)空間像素點(diǎn)進(jìn)行Hue值轉(zhuǎn)化，獲得葉片表面SSLCC涂層的Hue值分布(圖中顏色為Hue值偽彩色)，如圖11所示，圖中橫縱坐標(biāo)分別采用弦長和葉高進(jìn)行無量綱化，Hue值采用其最大值進(jìn)行無量綱化。SSLCC圖像中的顏色變化通過Hue值大小清晰地反映出來，顏色發(fā)生改變的位置，Hue值出現(xiàn)階躍(如圖中虛線所示)，對(duì)其位置確定更為直觀。

圖11 i=0°、Ma=0.12時(shí)SSLCC Hue值圖譜Fig.11 Hue value map of SSLCC at i=0° and Ma=0.12

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 SSLCC的色譜(RGB)圖分析

對(duì)i=0°、Ma=0.12工況SSLCC圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到三維RGB圖譜如圖12所示，圖中3個(gè)角區(qū)由于拍攝角度原因未獲得其圖像，涂層色譜呈現(xiàn)黑色。分析有效區(qū)域的圖譜信息，根據(jù)其顏色變化，可將其沿流向劃分為Ⅰ～Ⅳ 4個(gè)區(qū)域。

靠近葉片前緣的Ⅰ區(qū)域，涂層顏色與下游明顯不同，原因是葉片前緣氣流由于突然加速出現(xiàn)閉式分離泡，分離泡內(nèi)近壁面氣流方向與主流方向相反，即逆拍攝方向，由于剪敏液晶材料顯色的方向性，涂層顏色變化最不明顯，接近未吹風(fēng)狀態(tài)的暗紅色。在Ⅰ區(qū)域結(jié)束的A點(diǎn)處，分離流再附著，剪切應(yīng)力方向發(fā)生改變，同時(shí)再附著位置的邊界層在壁面法向速度梯度出現(xiàn)極大值，較零應(yīng)力狀態(tài)SSLCC顏色變化最明顯，沿葉片展向形成一道橙色分界線；在Ⅱ區(qū)域，隨著邊界層向下游發(fā)展，邊界層內(nèi)壁面法向的速度梯度逐漸減小，邊界層黏性剪切應(yīng)力隨之減小，SSLCC顏色逐漸由橙色變?yōu)榫G色；在Ⅲ區(qū)域的開始位置，SSLCC顏色再次出現(xiàn)明顯改變，由綠色變?yōu)榧t色，根據(jù)葉片表面邊界層的流動(dòng)特性可知，此處邊界層由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)捩，邊界層內(nèi)剪切應(yīng)力大小隨之增大，SSLCC顏色也相應(yīng)發(fā)生改變；0.7倍弦長之后的Ⅳ區(qū)域，由于葉片彎角等原因?qū)е聢D像采集過程中該區(qū)域亮度不足，顏色逐漸變暗，已無法分辨圖譜信息。

圖12 i=0°、Ma=0.12時(shí)SSLCC三維重構(gòu)圖像 Fig.12 3D reconstrution image of SSLCC at i=0° and Ma=0.12

沿葉片展向看，由于平面葉柵葉片的對(duì)稱性，以50%葉高為中心，葉片SSLCC圖譜基本上下對(duì)稱。值得注意的是，SSLCC圖譜中顏色分界線在上下端壁附近受到角區(qū)流動(dòng)影響，向前緣方向偏轉(zhuǎn)。

4.2 Hue色相值分析

SSLCC色譜圖僅能對(duì)邊界層流動(dòng)信息進(jìn)行初步的定性描述，如圖12中Ⅱ、Ⅲ區(qū)域內(nèi)顏色變化較小，但包含邊界層轉(zhuǎn)捩起止位置等重要信息。因此，對(duì)所關(guān)注區(qū)域內(nèi)邊界層特征位置的精確判斷可以借助Hue值曲線進(jìn)行分析。圖13給出了50%葉高位置Hue值隨弦長的變化曲線。Hue值曲線清晰地顯示出涂層顏色發(fā)生變化的特征位置。從Hue值大小沿弦長總體趨勢(shì)看，邊界層分離區(qū)(Ⅰ區(qū)域)內(nèi)Hue值較高。A點(diǎn)約為8%弦長位置，分離泡在此處再附著，涂層顏色明顯改變，Hue值發(fā)生階躍。邊界層層流階段(Ⅱ區(qū)域)涂層顏色總體呈現(xiàn)綠色且變化不大，Hue值較低且趨于穩(wěn)定。約30%弦長處B點(diǎn)位置，涂層顏色由綠色開始變?yōu)榧t色,邊界層開始轉(zhuǎn)捩，相應(yīng)的Hue值開始增長，在C點(diǎn)約38%弦長位置，Hue值達(dá)到極大值，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)捩結(jié)束的位置。邊界層轉(zhuǎn)捩為湍流狀態(tài)(Ⅲ區(qū)域)，涂層顏色維持暗紅色沒有明顯變化，Hue值穩(wěn)定在較高水平。70%弦長之后的Ⅳ區(qū)域，由于涂層畫面變暗，Hue值也逐漸減小。由此可見Hue值曲線將圖層顏色的變化情況以量化的數(shù)值形式體現(xiàn)出來，對(duì)特征位置的判斷更直觀、準(zhǔn)確。

受角區(qū)分離流動(dòng)影響，沿葉片高度方向SSLCC圖譜(圖12)中顏色變化分界線在端壁附近明顯向前緣偏折。提取9.5%弦長位置Hue值隨葉高的變化曲線，如圖14(a)所示，曲線在0～87%范圍內(nèi)Hue值大小相對(duì)穩(wěn)定，保持在0.6附近。在曲線93%以上范圍，處于圖12中SSLCC圖譜左上角的黑色區(qū)域，Hue值為0。在87%～93%葉高之間，Hue值明顯減小，結(jié)合圖12中顏色分界線以及圖13中Hue值在分離再附著點(diǎn)前后的大小變化可知，在該弦長位置，87%～93%葉高之間的區(qū)域處于分離再附著點(diǎn)(A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分界線)之后，Hue值較??；而87%葉高以下的范圍仍處于分離再附著點(diǎn)之前，Hue值較大。由此可見，靠近端壁的較高葉高位置，前緣分離再附著點(diǎn)更靠前，即角區(qū)流動(dòng)造成了葉片前緣的邊界層分離區(qū)減小，分離泡再附著點(diǎn)前移。

圖14(b)給出了20%弦長位置Hue值隨葉高的變化曲線，在0～98%葉高范圍內(nèi)曲線曲折波動(dòng)，結(jié)合圖11中Hue值圖譜可知，這是由于不同葉高處涂層顏色有所區(qū)別造成的Hue值波動(dòng)，但顏色變化較小，隨葉高的變化Hue值基本穩(wěn)定在0.1～0.2。98%葉高以上曲線明顯上揚(yáng)，Hue值從0.25增加到0.5以上，結(jié)合圖12中顏色分界線以及圖13中Hue值在分離再附著點(diǎn)前后的大小變化可知，98%葉高以下的邊界層處于層流狀態(tài)，Hue值較?。?8%葉高以上邊界層已經(jīng)為湍流狀態(tài)，Hue值較大。由此可見，端壁附近邊界層更早地進(jìn)入湍流狀態(tài)，即角區(qū)分離流動(dòng)造成邊界層轉(zhuǎn)捩位置的提前。

圖13 i=0°、Ma=0.12時(shí)50%葉高Hue值隨弦長的變化 Fig.13 Hue values vs chords of 50% span at i=0° and Ma=0.12

圖14 i=0°、Ma=0.12時(shí)不同弦長位置Hue值隨葉高的變化Fig.14 Hue values vs spans of different chord positions at i=0° and Ma=0.12

5 結(jié) 論

1) 發(fā)展了一套葉柵風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境下基于剪敏液晶材料測(cè)量葉柵邊界層流動(dòng)的方法，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)葉片表面邊界層流動(dòng)特征辨識(shí)，清晰地捕捉到邊界層分離、再附、轉(zhuǎn)捩等流動(dòng)現(xiàn)象。

2) 發(fā)展了基于圖像三維重構(gòu)、Hue色相值量化分析等手段的剪敏液晶圖像處理方法，通過該方法可以進(jìn)行SSLCC圖像的空間還原，以及邊界層發(fā)展特征的量化分析。

3) 分析葉片吸力面邊界層沿流向的發(fā)展規(guī)律發(fā)現(xiàn)，葉片表面邊界層流動(dòng)較為復(fù)雜，葉片吸力面邊界層沿流向依次經(jīng)歷了分離、再附著以及由層流轉(zhuǎn)捩為湍流的過程。

4) 分析葉片吸力面邊界層沿葉高方向的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，角區(qū)分離流動(dòng)造成了葉片前緣分離區(qū)減小，分離泡再附著點(diǎn)前移；同時(shí)造成邊界層轉(zhuǎn)捩位置的提前。

[1] 范潔川. 飛行中附面層轉(zhuǎn)捩的流動(dòng)顯示與測(cè)量技術(shù)[J]. 飛行力學(xué), 1998, 16(1): 80-84.

FAN J C. Flow visualization and measurement technique of boundary layer transition used in flight test[J]. Flight Dynamics, 1998, 16(1): 80-84 (in Chinese).

[2] 尹軍飛, 王瑞琪, 余少志， 等. 激光測(cè)速測(cè)量湍流分離-再附流動(dòng)[J]. 航空學(xué)報(bào), 1990, 11(5): 257-261.

YIN J F, WANG R Q, YU S Z, et al. LDV measurement of a turbulent separation-reattachment flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1990, 11(5): 257-261 (in Chinese).

[3] 陳釗, 郭永彩, 高潮. 三維PIV原理及其實(shí)現(xiàn)方法[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2006, 20(4): 77-82, 105.

CHEN Z, GUO Y C, GAO C. Principle and technology of three-dimensional PIV[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006, 20(4): 77-82, 105 (in Chinese).

[4] 趙偉國, 宋執(zhí)環(huán), 黃震威, 等. 基于熱膜探頭的新型氣體流量傳感器研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(5): 1073-1077.

ZHAO W G, SONG Z H, HUANG Z W, et al. Study on new gas flow sensor based on hot-film probe[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009, 30(5): 1073-1077 (in Chinese).

[5] 李昌立, 孫晶, 蔡紅星, 等. 膽甾相液晶的光學(xué)特性[J]. 液晶與顯示, 2002, 17(3): 193-198.

LI C L, SUN J, CAI H X, et al. Optical properties of phlesteric liquid crystals[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2002, 17(3): 193-198 (in Chinese).

[6] 張松鵬, 張向軍, 田煜, 等. 采用液晶涂層測(cè)量介質(zhì)流與壁面間剪切應(yīng)力的定量模型與試驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(23): 234702.

ZHANG S P, ZHANG X J, TIAN Y, et al. A quantitative model and experimental investigations of wall shear stress between solid and gaseous fluid using liquid crystal coating[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(23): 234702 (in Chinese).

[7] HOLMES B J, GALL P D, CROOM C C, et al. A new method for laminar boundary layer transition visualization in flight: Color changes in liquid crystal coatings: NASA-TM-87666[R]. Washington, D.C.: NASA, 1986.

[8] MEE D J, WALTON T W, HARRISON S B, et al. A comparison of liquid crystal techniques for transition detection: AIAA-1991-0062[R]. Reston， VA: AIAA, 1991.

[9] 陳星, 畢志獻(xiàn), 宮建, 等. 基于剪敏液晶涂層的光學(xué)摩阻測(cè)量技術(shù)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(6): 70-74.

CHEN X, BI Z X, GONG J, et al. Optical skin friction measurement using shear-sensitive liquid-crystal coatings[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6): 70-74 (in Chinese).

[10] 劉波, 王掩剛, 朱柱國, 等. 低速渦輪葉柵風(fēng)洞中葉片表面邊界層轉(zhuǎn)捩圖像捕捉[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量, 2003, 17(1): 1-5.

LIU B, WANG Y G, ZHU Z G, et al. Boundary layer transition detection on blade surface in low speed turbine cascade wind tunnel[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2003, 17(1): 1-5 (in Chinese).

[11] ANDERSON B T, MEYER R R, CHILES H R. Techniques used in the F-14 variable-sweep transition flight experiment[J]. Journal of Aircraft, 1991, 28(10): 622-629.

[12] SMITH S C. Use of shear-sensitive liquid crystals for surface flow visualization[J]. Journal of Aircraft, 1992, 29(2): 289-293.

[13] REDA D C, MURATORE J J. Measurement of surface shear stress vectors using liquid crystal coatings[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1576-1582.

[14] WILDER M C, REDA D C. Uncertainty analysis of the liquid crystal coating shear vector measurement technique[C]//20th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference. Reston, VA: AIAA, 1998: 1-11.

[15] IRELAND P T, JONES T V. Liquid crystal measurements of heat transfer and surface shear stress[J]. Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 969-986.

[16] REDA D C, WILDER M C. Shear-sensitive liquid crystal coating method applied through transparent test Surfaces[J]. AIAA Journal, 2001, 39(1): 195-197.

[17] 高麗敏, 韋楠, 高杰, 等 基于內(nèi)流場(chǎng)PSP測(cè)量技術(shù)的圖像后處理[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2013, 27(1): 93-97.

GAO L M, WEI N, GAO J, et al. Image processing of PSP technique in the internal flow[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(1): 93-97 (in Chinese).

[18] 高麗敏, 高杰, 謝建, 等. 圖像三維重構(gòu)在葉片表面壓力測(cè)量的應(yīng)用[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2012, 33(9): 1523-1526.

GAO L M, GAO J, XIE J, et al. Application of image 3D reconstrution to pressure measurement on blade surface[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(9): 1523-1526 (in Chinese).

[19] 高麗敏, 高杰, 王歡, 等. PSP技術(shù)在葉柵葉片表面壓力測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2011, 32(3): 411-414.

GAO L M, GAO J, WANG H, et al. Application of PSP technique to pressure measurement on cascade surface[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(3): 411-414 (in Chinese).

[20] 劉偉奇, 馮睿. 孟塞爾顏色系統(tǒng)與人眼主觀亮度的關(guān)系[J]. 光學(xué)精密工程, 1998, 6(3): 31-35.

LIU W Q, FENG R. The relation between Munsell color system and visual perception brightness[J]. Optics and Precision Engineering, 1998, 6(3): 31-35 (in Chinese).

[21] 范瑋, 呂品. 熱敏液晶測(cè)溫標(biāo)定及誤差分析[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 2009, 35(1): 50-52.

FAN W, LV P. Calibration and error analysis of temperature measurement for thermal sensitive liquid crystal[J]. Aeroengine, 2009, 35(1): 50-52 (in Chinese).

[22] 韓振興, 邸倩倩, 李志宏, 等. 熱敏液晶定量測(cè)溫系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27(7): 679-682.

HAN Z X, DI Q Q, LI Z H, et al. Quantitative temperature measurement system with thermochromic liquid crystal[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(7): 679-682 (in Chinese).

[23] 韓振興. 熱敏液晶測(cè)溫技術(shù)及其在平板氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[D]. 北京: 中國科學(xué)院工程熱物理研究所, 2005.

HAN Z X. Liquid crystal thermography and its application in film cooling on flat plate[D]. Beijing： Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Aeademy of Sciences, 2005 (in Chinese).

(責(zé)任編輯： 鮑亞平， 王嬌)

*Corresponding author. E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

Experimental research on diffuser cascade using shear-sensitive liquid crystal and image processing

GAO Limin1,2,*, LI Yongzeng1,2, ZHANG Shuai1,2, CAI Ming1,2

1.CollegeofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China2.CollaborativeInnovationCenterofAdvancedAero-Engine,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Based on the optical properties of shear-sensitive liquid crystal coating (SSLCC), a boundary layer visualization technology is developed in narrow space of wind tunnel. A mirco camera-LED combined image acquisition device is designed and processed to achieve the SSLCC image. A three-dimensional image reconstruction method is proposed based on the mapping relation between SSLCC image and the three-dimensional model. The information of the SSLCC image is analyzed quantitatively based on Hue value transformation of the SSLCC image. Based on the high subsonic linear cascade wind tunnel in Northwestern Polytechnical University, an experimental study is carried out on the boundary layer of a diffuser cascade using SSLCC. The results show that the boundary layer visualization technology developed in this paper can be used forboundary layer measurement of the linear cascade. The method proposed can provide technical support for the identification of the boundary layer characteristics and the determination of the feature location. At Mach number 0.12 and angle of attack 0°, the boundary layer on the suction side of the blade goes through a process of separation, reattachment and transition, the boundary layer is affected by the cascade corner separation flow, the separated region is reduced, and the location of reattachment and transition move towards the leading edge.

shear-sensitive liquid crystal coating (SSLCC); wind tunnel; cascade; boundary layer; image processing

2016-11-24； Revised： 2017-01-01； Accepted： 2017-03-06； Published online： 2017-04-06 10:33

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170406.1033.006.html

National Natural Science Foundation of China (51236006)

V231.3

A

1000-6893(2017)09-520981-09

2016-11-24； 退修日期： 2017-01-01； 錄用日期： 2017-03-06； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2017-04-06 10:33

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170406.1033.006.html

國家自然科學(xué)基金 (51236006)

*通訊作者.E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

高麗敏， 李永增， 張帥， 等． 擴(kuò)壓葉柵剪敏液晶試驗(yàn)與圖像處理[J]． 航空學(xué)報(bào), 2017, 38(9): 520981. GAO L M, LI Y Z, ZHANG S, et al. Experimental research on diffuser cascade using shear-sensitive liquid crystal and image processing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 520981.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.620981