高超聲速風(fēng)洞M_a中劈尖試件的紅外測(cè)溫

張鳳 何康 馮世杰 張佳明 王文瑞 李泉水 路彥珍 劉福海 趙飛 王鳳平

摘要：目前，紅外測(cè)溫技術(shù)在高溫非穩(wěn)態(tài)下的應(yīng)用研究還不成熟，而紅外測(cè)溫技術(shù)的關(guān)鍵在于發(fā)射率的準(zhǔn)確測(cè)量。為了測(cè)量高超聲速氣流下試件的溫度，同時(shí)采用MCS640高溫紅外熱像儀和GH3030高溫合金熱電偶對(duì)風(fēng)洞馬赫數(shù)5（M，=5）中的超高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼D6AC劈尖試件進(jìn)行溫度測(cè)量。首先，通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配法校正試件的發(fā)射率，再設(shè)置熱像儀的發(fā)射率，測(cè)得試件駐點(diǎn)的溫度變化曲線和試件在不同時(shí)刻的熱圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)得試件駐點(diǎn)的最高溫度為2019.3℃，對(duì)分析材料的燒蝕性能和防熱結(jié)構(gòu)的可靠性提供了參考。實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)溫方法可以用來測(cè)量高超聲速風(fēng)洞中試件的溫度。

關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫;風(fēng)洞;熱電偶;發(fā)射率

中圖分類號(hào)：V211.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）07-0037-05

收稿日期：2018-02-05;收到修改稿日期：2018-03-16

基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2011YQ14014506，2011YQ14014507）

作者簡(jiǎn)介：張鳳（1992-），女，陜西西安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槲锢韺W(xué)。

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，高超聲速飛行器的功能日趨多樣，外形日益復(fù)雜[1]，對(duì)飛行器熱防護(hù)性能的要求也越來越高，如低密度、低燒蝕率、承受更高燃?xì)鉁囟鹊?。溫度的測(cè)量在國防、科學(xué)研究及生產(chǎn)活動(dòng)中具有十分重要的作用[2]。風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)可用于航天領(lǐng)域高超聲速環(huán)境下的氣動(dòng)熱-力耦合作用對(duì)材料服役安全的影響等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究。風(fēng)洞中測(cè)溫手段有熱電偶、液晶、相變漆和紅外熱像儀等。熱電偶具有成本低、測(cè)量簡(jiǎn)單、單點(diǎn)測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，但不能給出整體的溫度分布。相變漆和液晶技術(shù)能夠給出物體表面某一時(shí)刻的溫度分布，但數(shù)據(jù)處理繁雜、受超高溫限制[3]。紅外熱像儀能給出整個(gè)溫度場(chǎng)的溫度分布和目標(biāo)的動(dòng)態(tài)溫度變化過程，且具有速度快，不破壞物體表面等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，紅外熱像儀是復(fù)雜環(huán)境下測(cè)溫的極佳選擇[4]，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效率具有重要作用[5]。

使用紅外測(cè)溫時(shí)，發(fā)射率是決定測(cè)溫精度的關(guān)鍵因素。目前，很多研究人員開展了發(fā)射率測(cè)量的工作。孫曉剛等[6]提出一種自動(dòng)判別發(fā)射率和波長數(shù)學(xué)模型的方法，分析應(yīng)用此方法時(shí)各種測(cè)量誤差對(duì)真實(shí)溫度及發(fā)射率的影響。李文軍等[7]提出紅外熱像儀和表面熱電偶組合測(cè)發(fā)射率的匹配法，利用恒溫源對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行加熱，在近環(huán)境溫度范圍內(nèi)分別對(duì)3M Scotch Super 88和3M 1721型絕緣膠帶的發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量。白敬晨等[8]提出了一種用紅外熱像儀測(cè)量物體發(fā)射率的方法。關(guān)威等[9]用紅外輻射計(jì)測(cè)量了物體光譜輻射亮度，并對(duì)目標(biāo)光譜發(fā)射率進(jìn)行求解。但目前對(duì)發(fā)射率的研究側(cè)重于中低溫穩(wěn)定狀態(tài)下的測(cè)試[10]。因此，測(cè)量高溫下試件的發(fā)射率對(duì)研究試件的高溫性能很有意義。

本實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)M_a=5的風(fēng)洞中劈尖試件進(jìn)行了溫度測(cè)量，校正了高溫下試件的發(fā)射率，得到了駐點(diǎn)的溫度變化曲線和試件在不同時(shí)刻的熱圖。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)是在北京科技大學(xué)國家材料服役中心的燃燒加熱風(fēng)洞中進(jìn)行的。該風(fēng)洞由氧氣、空氣、航空煤油供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、噴管、實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)、引射系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)和消音系統(tǒng)組成。該實(shí)驗(yàn)艙可實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)2～6，來流總溫270～2500K，來流成分可調(diào)等條件。風(fēng)洞內(nèi)徑為200mm，穩(wěn)定區(qū)域直徑120～150mm，產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲速流場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間最長可以達(dá)到600～900s的高超聲速氣動(dòng)熱-力耦合環(huán)境。該設(shè)備可用于航天領(lǐng)域高超聲速特殊服役環(huán)境下的氣動(dòng)熱-力耦合作用對(duì)材料/構(gòu)件服役安全的影響等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究。

實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)艙艙體、模型支架及對(duì)接安裝件，其用于固定被考核試件并提供密閉環(huán)境建立高空低壓環(huán)境。實(shí)驗(yàn)艙采用方形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)空尺寸為1000mm×600mm×660mm。實(shí)驗(yàn)艙兩側(cè)開門，在其左右及上表面開有光學(xué)石英玻璃窗口。

1.2 測(cè)試設(shè)備

1.2.1 MCS640高溫紅外熱像儀

實(shí)驗(yàn)使用的是MCS640高溫紅外熱像儀。主要的性能指標(biāo)有：熱像儀采集幀頻為 60Hz;探測(cè)器像素為640×480像素;工作波段為780～1080nm;測(cè)溫范圍為800～3000℃;測(cè)溫精度為±0.5%。

工作原理：被測(cè)物體輻射的紅外能量經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚在探測(cè)器的靈敏面上，探測(cè)器將照在靈敏面上的輻射能轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的電信號(hào)。由圖像采集設(shè)備將探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集、存取。測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖像采集設(shè)備采集到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)用于分析。

1.2.2 GH3030高溫合金熱電偶

實(shí)驗(yàn)使用的是GH3030高溫合金熱電偶。主要特點(diǎn)是：性能比較穩(wěn)定，同時(shí)操作方便，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳4～20mA電信號(hào)，便于自動(dòng)控制和集中控制。主要的性能指標(biāo)：測(cè)量范圍為0～1800℃;熱響應(yīng)時(shí)間為6s。

工作原理：把兩種不同成份的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端焊接形成閉合回路。定義直接測(cè)溫端為工作端，接線端子端為參比端。當(dāng)工作端和參比端之間存在溫差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就能得到與之對(duì)應(yīng)的溫度。

1.3 被測(cè)試件

D6AC是一種制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的專用鋼種，應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上，也曾用來制造F-111飛機(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。因此，本實(shí)驗(yàn)以D6AC劈尖試件作為研究對(duì)象，具有非常重要的科研價(jià)值。

1.4 測(cè)試原理

本實(shí)驗(yàn)采用紅外輻射測(cè)溫和熱電偶接觸測(cè)溫相結(jié)合的方法，對(duì)材戶5的風(fēng)洞中劈尖試件進(jìn)行溫度測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)采用熱像儀和熱電偶對(duì)試件測(cè)溫。在對(duì)溫度數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于熱電偶和熱像儀都與各自的專用計(jì)算機(jī)相連，系統(tǒng)時(shí)間不統(tǒng)一。因此，首先在同一區(qū)域?qū)犭娕己图t外熱像儀測(cè)量的溫度進(jìn)行時(shí)間匹配;其次以熱電偶測(cè)出的溫度為試件的真實(shí)溫度，對(duì)靠近熱電偶的位置用紅外熱像儀測(cè)溫。一邊調(diào)整紅外熱像儀的發(fā)射率，直到溫度值與熱電偶測(cè)得的溫度一致，此時(shí)認(rèn)為該發(fā)射率就為當(dāng)前溫度下試件的發(fā)射率。在此發(fā)射率下用紅外熱像儀對(duì)駐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，就能得到駐點(diǎn)的溫度變化和試件在不同時(shí)刻的熱圖，就可以對(duì)試件在高溫氣流下的動(dòng)態(tài)研究提供參考。

1.5 測(cè)量過程

實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。測(cè)量過程如下：

1）把試件裝在支架上，放入實(shí)驗(yàn)艙。

2）將紅外熱像儀在光學(xué)平臺(tái)上固定好，連接到專用計(jì)算機(jī)，并相對(duì)于試件進(jìn)行定位，保證測(cè)量距離和測(cè)量角度符合使用規(guī)范，測(cè)得探頭到試件的水平距離為980mm，探頭高于樣品330mm。預(yù)設(shè)紅外熱像儀的發(fā)射率為1。

3）將熱電偶固定在試件尾端，與試件緊密貼合，并通過網(wǎng)線連接到專用計(jì)算機(jī)上。

4）進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，在叼片5的條件下對(duì)試件進(jìn)行吹風(fēng)測(cè)試，同時(shí)利用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)試件進(jìn)行測(cè)溫。實(shí)驗(yàn)段環(huán)境參數(shù)為：平均壓力5.68kPa，空氣流量946.1g/s，煤油流量109.7g/s，氧氣流量523.2g/s，吹風(fēng)時(shí)間約為50s。

5）保存紅外熱像儀和熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)，以便后續(xù)處理分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)射率的確定

如圖2所示，a為熱電偶測(cè)得的試件溫度變化曲線，b為紅外熱像儀測(cè)得的熱電偶的溫度曲線，。為紅外熱像儀測(cè)得的靠近熱電偶區(qū)域的試件溫度變化曲線。紅外熱像儀測(cè)溫時(shí)預(yù)設(shè)發(fā)射率ε_λ=1。首先對(duì)a、b曲線進(jìn)行時(shí)間匹配，再以熱電偶測(cè)得的溫度作為試件c區(qū)域的真實(shí)溫度，通過在紅外熱像儀的控制軟件中設(shè)置發(fā)射率，直到c區(qū)域溫度與熱電偶所測(cè)溫度非常相近，此時(shí)的發(fā)射率即為該溫度下試件c區(qū)域的發(fā)射率。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，由圖2可以看出在17～20s這一時(shí)間段，熱電偶測(cè)得的試件溫度由1300℃迅速升高到1700℃。此溫度段升高地非常劇烈，可能是由于熱電偶測(cè)量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的熱輻射誤差和沿?zé)犭娕奸L度方向由溫度梯度引起的導(dǎo)熱誤差造成的，使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。

表1是同一時(shí)刻下，熱電偶和紅外熱像儀測(cè)得的溫度，以及校正后試件在不同溫度下的發(fā)射率。通過分析溫度數(shù)據(jù)，紅外熱像儀與熱電偶測(cè)得溫度的差異主要是由試件發(fā)射率、紅外熱像儀測(cè)溫精度、熱電偶的測(cè)溫精度等原因引起的。

從劈尖試件的ε-T關(guān)系圖（圖3）中，可以直觀地看出，試件表面溫度在1777～1851℃，發(fā)射率為0.048～0.064，波動(dòng)較小，比較平穩(wěn)。

2.2 校正發(fā)射率后試件的熱圖

圖4分別是風(fēng)吹15s、23 s、30s、45s時(shí)試件的熱圖。從圖中可以直觀看出試件的溫度分布情況。圖中顏色相近的區(qū)域，溫度大致相同，說明這些區(qū)域受熱流沖刷作用大致相等，受熱比較均勻，溫度比較接近。從熱圖中看出，熱電偶位置和駐點(diǎn)的溫度大致相等，驗(yàn)證了以熱電偶測(cè)得的溫度校正紅外熱像儀測(cè)溫的合理性。

2.3 試件駐點(diǎn)的溫度

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)錄像，觀察到在風(fēng)吹的初始階段，燒蝕剝離飛濺物多，造成熱流場(chǎng)的擾動(dòng)，引起溫度場(chǎng)的變化。待剝離物飛渣明顯減少后，溫度場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，燒蝕進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。圖5是實(shí)驗(yàn)中的試件。

試件駐點(diǎn)和c區(qū)域的材料受熱前后表面狀態(tài)、形貌相同，同一溫度下，認(rèn)為駐點(diǎn)和c區(qū)域的發(fā)射率相等。在1777～1851℃時(shí)，取試件的平均發(fā)射率為0.053，設(shè)置紅外熱像儀控制軟件的發(fā)射率，獲得駐點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。可以直觀地看出在12s左右時(shí)，紅外熱像儀開始顯示駐點(diǎn)的表面溫度。15s后溫度升高趨勢(shì)開始減漫。12～15s之間，駐點(diǎn)受熱流影響較小，溫度波動(dòng)小;15～20s溫度波動(dòng)較大，說明受氣流影響較大。在20.2s時(shí)，最高溫度達(dá)到2019.3℃。此時(shí)，可能由于駐點(diǎn)在高溫下被燒蝕掉，也可能是由于試件的結(jié)構(gòu)缺陷造成一部分材料在高速氣流下因燒蝕差異或熱應(yīng)力破壞而發(fā)生剝蝕，具體原因還需進(jìn)一步研究才能做出判斷，因此，0.5s后溫度急劇降低至1124_4℃，之后測(cè)得背景溫度，高速熱流開始燒蝕試件剩余部分。

3 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)采用紅外熱像儀和熱電偶組合的匹配法對(duì)試件的發(fā)射率進(jìn)行了校正，對(duì)高超聲速風(fēng)洞材戶5中的試件進(jìn)行了測(cè)溫。分析了試件駐點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)和試件表面溫度分布，得出以下結(jié)論：

1）采用紅外熱像儀能非常直觀地顯示試件熱效應(yīng)區(qū)域的大小與形狀，及其特征位置的溫度變化過程。

2）通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配方法，校正了紅外熱像儀測(cè)得的試件駐點(diǎn)溫度，最終實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)溫校正試件的表面溫度，得到了不同時(shí)刻的熱圖，證明了這種方法的可行性。

3）進(jìn)一步工作將研究物體發(fā)射率對(duì)測(cè)溫精度的影響，以提高紅外熱像儀測(cè)溫的精確性。

參考文獻(xiàn)

[1]周嘉穗，張扣立，江濤，等.激波風(fēng)洞溫敏熱圖技術(shù)初步試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2013，27（5）：79-82.

[2]孫曉剛，李云紅.紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光與紅外，2008，38（2）：101-104.

[3]郭隆德.風(fēng)洞非接觸測(cè)量技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：120.

[4]程麗鵬.紅外熱像儀的超高溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2017.

[5]汪思國，何顯中，王小蕾.紅外成像圖像數(shù)據(jù)處理軟件及其應(yīng)用[C]//中國空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)，中國力學(xué)學(xué)會(huì).流動(dòng)顯示2002全國流動(dòng)顯示學(xué)術(shù)會(huì)議，2002：209-215.

[6]孫曉剛，戴景民.多光譜輻射測(cè)溫的理論研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，1998，17（3）：221-225.

[7]李文軍，徐永達(dá)，鄭永軍.紅外熱像儀與表面熱電偶測(cè)量發(fā)射率的匹配法[J].中國測(cè)試，2017，43（6）：12-15.

[8]白敬晨，于慶波，胡賢忠，等.基于紅外熱像儀的物體表面發(fā)射率測(cè)量方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（12）：1747-1750.

[9]關(guān)威，劉建梅，王琦，等.基于紅外輻射計(jì)的物體光譜發(fā)射率測(cè)量方法[J].火力與指揮控制，2016，41（11）：163-166.

[10]王華偉.基于紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

（編輯：徐柳）