熒光油流顯示技術在高超聲速風洞中的應用

陳 磊,朱 濤,徐 筠,江 濤

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

熒光油流顯示技術在高超聲速風洞中的應用

陳 磊*,朱 濤,徐 筠,江 濤

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

通過原理性試驗分析了系統(tǒng)組成中主要部件的參數(shù)指標，搭建了試驗平臺，完成不同顏色和類型熒光示蹤劑的對比試驗，篩選出性能可靠的熒光示蹤劑，制作了熒光油膜，最后成功地將熒光油流顯示技術應用到CARDC中的Φ1 m高超聲速風洞中。并對熒光油流圖像定量化顯示技術進行了研究，結果表明，根據(jù)熒光油膜發(fā)出的熒光信號，能夠推算出熒光油膜的厚度信息。

高超聲速風洞；表面流動顯示；熒光油流；油流圖譜；定量化顯示

0 引 言

隨著現(xiàn)代高超聲速飛行器的發(fā)展，模型外形復雜多樣，模型表面的流動狀態(tài)更加備受關注。油流法是一種既可顯示模型表面復雜的流動圖譜(如分離流動和旋渦流動等)，又操作簡便、有效的手段。通過對模型表面油流圖譜的分析可以了解氣流在模型表面流動發(fā)生分離的位置、分離方式和特點、旋渦的形成等。近年來發(fā)展的油流譜分析理論為油流圖譜的判讀提供了理論依據(jù)，使得這一簡易、古老的表面流動顯示技術至今仍廣泛應用于風洞試驗中[1-4]。

風洞試驗中常用的油流法有常規(guī)示蹤法和熒光示蹤法。在國外，關于油流測量的研究較多，其理論基礎是油膜方程，此方程最初是由Squire提出[5]；Driver在NASA Ames的多座風洞中進行了油膜試驗[6]；Liu和Sullivan于1998年提出了熒光油膜法[7]；2009年Woodiga和Liu運用熒光流動技術對三角翼的摩擦力場進行了測量[8]。在國內，常規(guī)油流顯示技術已在不同類型風洞試驗中得到了應用并取得一定研究成果[9-13]。CARDC中的Φ1 m高超聲速風洞于2010年起開始進行常規(guī)油流技術研究，研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)油流顯示技術在顯示模型表面動壓較小時，由于涂層粘稠，油膜較厚，會影響油流試驗的精度[14]。而熒光示蹤法中熒光示蹤劑在激發(fā)光源照射下，能主動發(fā)出與激發(fā)光源不同波段的熒光信號，因此可減少涂層粘稠度，且利用輔助熒光信息顯示模型表面的流動狀況時，具有信噪比高、精度高等優(yōu)點。在一定條件下，熒光油流法更能直觀地展示出模型表面的流動細節(jié)，它與常規(guī)油流法的差別是光源和示蹤劑的參數(shù)指標不同。張軍強等人進行了熒光油流技術的研究和應用工作，提出了熒光油流摩擦力場測量技術，將熒光油流技術和摩擦力場測量技術結合起來，通過對熒光圖像中不同位置的熒光信號的處理可進一步獲取模型表面流場的拓撲結構，能實現(xiàn)從定性顯示到定量測量的跨越，具有很好的發(fā)展前景[15-18]。

為了將熒光油流顯示技術應用到Φ1 m高超聲速風洞試驗中，進一步拓展風洞流動顯示能力，進行熒光油流試驗技術研究是非常必要的。課題組通過搭建熒光油流試驗平臺，完成了不同顏色和類型熒光示蹤劑的對比試驗，篩選出性能可靠的熒光示蹤劑，制作了熒光油膜，并成功應用到了風洞試驗中，最后對熒光油流圖像數(shù)據(jù)定量化處理進行了研究。

1 熒光油流顯示技術簡介

熒光油流顯示技術是在油膜載體中加入一定濃度的熒光劑作為示蹤劑。選用的熒光劑在相應激發(fā)光照射下能發(fā)出熒光信號。對于熒光劑較稀的油膜，根據(jù)Lambert定律有：

式中：A為吸光度；I0為入射光強；I為透射光強；k′為比例系數(shù)；h為膜層厚度。

另外由Beer定律有：

式中：k″為比例常數(shù)；c為熒光劑濃度。熒光信號F與吸光度A關系如式(3)：

將式(1)和式(2)代入式(3)，則熒光信號F與熒光劑濃度c和油膜厚度h的關系為[19]：

式中：k?為吸光系數(shù)，與熒光劑本身性能有關;k=k′k″k?為常數(shù)，與光源的發(fā)光強度、光源和探測器的位置、探測器接受熒光信號的能力、油膜載體吸光能力等因素有關，試驗前需進行標定。標定的目的就是找出在現(xiàn)有試驗條件下，熒光信號與熒光劑濃度或厚度的關系，通常為線性，然后可根據(jù)熒光信號信息推算出油膜厚度信息。比如選用厚度3 mm、濃度0.009%的熒光信號F9作為參考信號，此信號的大小等于厚度9 μm、濃度3%的信號大小。如果測量油膜厚度時選用3%的熒光劑濃度，測得的熒光信號為F，根據(jù)式(4)可以得到油膜厚度：

根據(jù)式(5)就可以由熒光信號計算出油膜厚度[20]。

根據(jù)模型表面油膜的運動情況和厚度信息，以及油膜載體本身的粘度信息就可以定量的計算模型表面的摩擦應力。同時也能較為容易的判斷模型表面流場的流態(tài)類型，層流或湍流，進而確定轉捩點的位置。

熒光劑的濃度可以采用相應的分光光度計測量獲得。

2 熒光油流系統(tǒng)搭建

熒光油流系統(tǒng)主要由激發(fā)光源、油膜載體、熒光劑和光電探測組成(見圖1)。根據(jù)系統(tǒng)組成，配置相應的硬件設備，開發(fā)了圖像數(shù)據(jù)處理軟件。

2.1 激發(fā)光源

激發(fā)光源是熒光油流系統(tǒng)中的重要組成部分?；疽鬄榧ぐl(fā)光線波長帶寬較窄且具有一定能量，能使得油膜載體中熒光示蹤劑受激發(fā)后發(fā)出明顯的熒光信號，這是實現(xiàn)熒光油流顯示和定量化處理的前提。對激發(fā)光源的能量的要求取決于被照模型面積、光源與模型間距離，以及油膜載體和熒光劑的性能。

在實際風洞試驗中，油膜厚度很薄，要求激發(fā)光能量不小于5 mW/cm2，模型表面的油膜到激發(fā)光源的最佳距離為2.5～3 m，受到Φ1 m高超聲速風洞環(huán)境尺寸的限制，最小距離也需大于1.5 m。從市場上現(xiàn)有的激發(fā)光源能量測量結果來看，其能量小，不能滿足試驗要求，需要自制光源，其光路圖見圖2。用拋物面反光杯提高激發(fā)光源能量利用率，經(jīng)聚焦鏡縮小了光線發(fā)射角，通過改變投影鏡頭焦距可調整照射范圍及能量的大小[21]。

2.2 光電探測器

原理性研究試驗中選用的是尼康單反相機攝取熒光信號，可根據(jù)試驗需要選擇相應的鏡頭，及不同程度調節(jié)相機的快門速度、光圈、感光度等參數(shù)。另外為了防止紫外光的散射以及模型表面反射的紫外光對測量結果的影響，相機鏡頭配有金萊斯“UV”濾色片。

2.3 油膜載體及熒光劑

油膜載體采用硅油，其粘度和溫度有關，在25 ℃時運動粘度為650 mm2/s。準備兩種類型的熒光劑：熒光顏料和熒光溶液。熒光顏料有兩種顏色：紅色和黃色。將熒光劑與油膜載體按照不同配方均勻混合后涂在模型表面，用高壓空氣噴頭對模型表面進行吹風，在激發(fā)光源的照射下，獲得不同類型、不同濃度和不同顏色的熒光油膜所發(fā)出熒光信號的強弱情況。

2.4 試驗結果

將熒光劑與硅油載體均勻混合，噴涂在調試平臺上，圖3為分別在有無激發(fā)光照射下熒光油膜的照片。從對比照片中可知，在365 nm激發(fā)光照射下，熒光油膜能夠發(fā)出明亮的熒光信號。

2.4.1 不同顏色熒光油膜對比試驗結果

通常相機的CCD靶面對可見光中間部分波段(黃色)比邊緣部分波段(紅色)敏感，因此在熒光劑濃度較低或油膜厚度很薄的情況下，可見光中間部分波段熒光信號更容易被相機捕獲到。所以在熒光劑顏色的選取上，傾向于選取所發(fā)出的熒光信號波段接近可見光中間波段(550 nm)的黃色熒光劑。

2.4.2 不同類型熒光油膜對比試驗結果

從原理性試驗中發(fā)現(xiàn)熒光顏料風干速度快，顆粒明顯，大大降低了有效試驗時間。同時，熒光顏料有較高的著色力，較強的抗褪色性，易污染模型表面，難去除。因此在示蹤劑類型的選擇上更傾向于采用熒光溶液作為示蹤劑。

2.4.3 風洞試驗結果

熒光油流顯示技術應用于CARDC中的Φ1 m高超聲速風洞，已完成了多輪風洞試驗的顯示任務。其中，在某進氣道試驗中，試驗參數(shù)為：來流名義馬赫數(shù)為6，總壓1.91 MPa，總溫465 K。進氣道的型面是根據(jù)氣流流線進行設計。采用熒光油流技術顯示進氣道型面的流動圖譜，完成了對進氣道型面設計結果的驗證工作。從試驗結果(見圖4)來看，模型為高反光金屬材料，在普通光源照射下信噪比低，而在激發(fā)光源照射下發(fā)出的熒光更能直觀地展示出模型表面的流動細節(jié)。在另一模型表面流場顯示試驗中，風洞來流名義馬赫數(shù)為8，總壓5.01 MPa，總溫730 K，模型俯仰角為10°，偏航角和滾轉角為0°。照片能清晰地顯示出模型背風面的流動圖譜隨風洞時間的變化情況(見圖5)，時間間隔為3 s。

3 熒光油流圖像數(shù)據(jù)定量化處理

3.1 熒光灰度值與油膜厚度關系

用量筒取6 mL熒光液、10 mL硅油均勻混合后，在培養(yǎng)皿面積均為6 cm2的三個分區(qū)中分別放入1 mL、4 mL、6 mL的熒光油膜，則油膜厚度分別為：0.17 cm、0.67 cm、1.00 cm。圖像數(shù)據(jù)處理的結果表明各分區(qū)油膜厚度分布比較均勻(見圖6)，0.17 cm、 0.67 cm和1.00 cm厚度油膜對應的平均灰度值分別為16、32和50(見圖7)，熒光灰度值與油膜厚度呈正相關關系，函數(shù)式為y=40.2370x+7.9882。

圖5熒光油流試驗2結果圖
Fig.5Resultpictureoffluorescence-oil-flowtest2

3.2 熒光灰度值與熒光劑濃度值關系

取體積相同，熒光劑與硅油體積比為10%、20%、30%三種濃度的熒光油膜，分別放于培養(yǎng)皿三個區(qū)域中。在激發(fā)光源照射下，獲取到的熒光圖像。通過對熒光圖像數(shù)據(jù)處理后得到不同濃度油膜對應灰度值(見圖8)，從結果來看，發(fā)現(xiàn)熒光劑濃度-灰度呈正相關關系，函數(shù)式為y=0.5000x+7.000。

在熒光油流圖像處理中，發(fā)現(xiàn)有時油膜在培養(yǎng)皿中存在局部分布不均勻情況，造成了同一區(qū)域中灰度值一致性相對差，所以在油膜涂覆于模型表面時，要盡量保證其分布相對均勻性，另外采用擬合法有利于進行測試。

3.3 熒光圖像處理結果

圖9為文中風洞試驗(圖5)的部分熒光油流圖像處理的結果，圖像中的色彩對照表能反應出油膜的厚度變化，其中x、y代表著圖像像素點坐標。

圖7不同油膜厚度對應灰度值顯示
Fig.7Correspondinggreyscalevaluedisplayofdifferentoil-flowthickness

圖8不同油膜濃度對應灰度值顯示
Fig.8Correspondinggreyscalevaluedisplayofdifferentoil-flowconcentration

圖9試驗中熒光油流圖像處理結果
Fig.9Testfluorescence-oil-flowimagedisposalresults

3.4 討 論

油流法是一種間接的測量方法，通過顯示模型表面油膜的運動現(xiàn)象來反應模型表面的流動特征，方法本身具有一定的近似性和局限性。通常模型表面油膜的厚度在0.06 mm以內，不會對模型的外形尺寸造成大的影響，但會改變模型表面的粗糙度，從而對模型表面的流動狀態(tài)會產(chǎn)生一些的影響。對于表面比較光滑的模型，油膜對其表面的流動特征的影響較小，相對而言對于表面比較粗糙的模型，油膜對其表面的流動特征的影響較大，測量誤差較大，此時的油膜技術主要用于顯示模型表面流動圖譜和跡線。本文中熒光油流試驗主要以顯示模型表面的流動跡線為主，且不同配方的油膜粘度不同，對模型表面的流動狀態(tài)的影響也不同，下一步將在MEMS(微電子機械系統(tǒng))摩阻測量試驗中，詳細系統(tǒng)地研究油膜對模型表面流動狀況的影響。

4 結束語

熒光油流較常規(guī)油流有信噪比高、精度高、獲取到信息的細節(jié)量多等優(yōu)點，且具備進行定量化處理的條件。采用熒光圖像數(shù)據(jù)處理方法能有效的分辨油膜厚度的變化，厚度分辨率受到激發(fā)光能量以及背景光影響。熒光油膜能滿足整個二維面油膜厚度變化測量要求。

由于油的粘性、表面張力、模型表面光滑程度以及試驗季節(jié)溫度等均影響油流圖譜的清晰度，因此試驗中油膜涂層配制、涂刷方法等技術問題有很大的經(jīng)驗性[1]。在高超聲速風洞中，模型表面溫度的變化，將影響到油膜的粘度，給試驗結果帶來一定的誤差。風洞現(xiàn)場的雜散光，會對試驗結果的精度產(chǎn)生一定影響，在夜間采用高光強分辨的科學級相機會得到較好的試驗結果。還需要大量的調試試驗和預試驗，總結出熒光油膜的配比規(guī)律，積累試驗數(shù)量，使其適應于不同運行參數(shù)的風洞試驗。

[1]范潔川.近代流動顯示技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[2]范潔川.風洞試驗手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002.

[3]李桂春.風洞試驗光學測量方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4]楊祖清.流動顯示技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[5]Squire L C.The motion of a thin oil sheet under the boundary layer on a body[J].Journal of Fluid Mechanics,1961,11(2):161-179.

[6]Driver D M.Application of oil-film interferometry skin-friction measurement to large wind tunnels[J].Experiments in Fluids,2003,34(6):717-725.

[7]Liu T S,Sullivan J P.Luminescent oil-film skin-friction meter[J].AIAA Journal,1998,36(8):1460-1465.

[8]Woodiga S A,Liu T S.Skin friction fields on delta wings[J].Experiments in Fluids,2009,47(6):897-911.

[9]唐貴明.用于激波風洞中的表面油流流動顯示方法[J].流體力學實驗與測量,2000,14(2):98-101.

[10] 祝成民,忻鼎定,莊逢甘.改進油流顯示法研究層流和湍流下繞橢球分離流[J].空氣動力學學報,2002,20(3):312-319.

[11] 肖雅彬,岳連捷,龔鵬,等.三面壓縮式高超聲速進氣道流動結構研究[J].實驗流體力學,2008,22(2):64-67.

[12] 黃舶,李祝飛,楊基明,等.激波風洞內超燃沖壓發(fā)動機三面壓縮進氣道流場實驗觀測[J].實驗力學,2012,27(1):23-29.

[13] 王振鋒,白菡塵,李向東,等.脈沖燃燒風洞點式油流技術在壓縮拐角流動顯示中的應用[J].推進技術,2014,35(11):1455-1460.

[14]徐筠,陳磊.高超聲速風洞油流試驗技術研究[C]//中國空氣動力學會流動顯示專業(yè)委員會第九屆學術交流會,2012.

[15]張軍強,王世紅.彩色油流和熒光油流流動顯示技術研究[C]//中國空氣動力學會流動顯示專業(yè)委員會第八屆學術交流會,2010,183-188.

[16]王鵬,衷洪杰.熒光油流摩擦力場測量技術試驗研究[C]//中國空氣動力學會流動顯示專業(yè)委員會第九屆學術交流會,2012.

[17]孫健,劉國政.熒光油流技術在NACA0015翼型流動控制中的應用[C]//中國空氣動力學會流動顯示專業(yè)委員會第十屆學術交流會,2014.75-78.

[18]付亞賢,尚金奎.彩色及熒光油流技術在風洞中的應用與發(fā)展[C]//中國空氣動力學會流動顯示專業(yè)委員會第十屆學術交流會,2014:70-74.

[19]葉芬霞.無機及分析化學[M].北京:高等教育出版社,2008.

[20]陸霄露,鄧康耀.采用激光誘導熒光法測量油膜厚度的研究[J].內燃機學報,2008,26(1):92-95.

[21]張以謨.應用光學[M].電子工業(yè)出版社,2008.

Applicationsoffluorescence-oil-flowvisualizationtechniqueinhypersonicwindtunneltest

CHEN Lei*,ZHU Tao,XU Yun,JIANG Tao

(ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

The parameters of key components in fluorescence-oil-flow system were analyzed by applying the fluorescence-oil-flow visualization technique inΦ1 m hypersonic wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center (CARDC).A ground debugging test platform was built,the contradistinctive tests were conducted with respect to different colors and types of fluorescent tracers.A credible fluorescence tracer dose was filtrated to produce the fluorescence oil film.The quantificational visualization technique was studied for the fluorescence-oil-flow image.Results show that this technique is capable of extracting the thickness information of fluorescence oil films by dealing with fluorescence signals.

hypersonic wind tunnel; surface flow visualization; fluorescence-oil-flow; oil flow pattern; quantificational visualization technology

0258-1825(2017)06-0817-06

V211.754

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0150

2015-08-10;

2015-10-09

陳磊*(1983-),男，陜西戶縣人，工程師，研究方向：流動顯示與精密測量.E-mail:chenlei1898@163.com

陳磊,朱濤,徐筠,等.熒光油流顯示技術在高超聲速風洞中的應用[J].空氣動力學學報,2017,35(6):817-822.

10.7638/kqdlxxb-2015.0150 CHEN L,ZHU T,XU Y,et al.Applications of fluorescence-oil-flow visualization technique in hypersonic wind tunnel test[J].Acta Aerodynamica Sinica,2017,35(6):817-822.