快響應PSP技術用于高超聲速圓柱繞流的非定常壓力測量

向星居, 熊紅亮,*, 袁明磊, 于靖波, 陳柳生, 王智棟

(1. 中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074； 2. 中國科學院化學研究所, 北京 100190)

快響應PSP技術用于高超聲速圓柱繞流的非定常壓力測量

向星居1, 熊紅亮1,*, 袁明磊1, 于靖波1, 陳柳生2, 王智棟2

(1. 中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074； 2. 中國科學院化學研究所, 北京 100190)

壓敏涂料(PSP)技術是飛行器風洞實驗大面積定量測壓和流動顯示的重要工具。為了發展非定常流動壓力測量和脈沖風洞中全局壓力測量能力,航天空氣動力技術研究院開發了快速響應壓敏涂料技術,與中科院化學所共同合作開發的壓敏涂料采用PtTFPP作為發光基團,穩定性較強,持續光照下發光強度衰減為1.5%/h。采用自主研制的靜態標定設備在標定腔內測量不同溫度和壓力條件下20mm×20mm涂料樣片的表面發光強度來確定涂料的壓力響應特性和Stern-Volmer公式,并設計制作了2套快響應時間動態標定設備,測得涂料典型響應時間在0.2ms。在中國航天空氣動力技術研究院FD-03高超聲速風洞中對平板圓柱裝置進行了Ma=5的PSP試驗,利用高速相機采集圖像數據后,經過批量數據處理,采集頻率為250Hz,得到了間隔時間4ms的連續壓力場數據。結合紋影圖像和油流圖對得到的PSP結果進行了分析,利用同時采集的測壓孔數據對PSP結果進行了比較。試驗結果表明,快響應PSP技術可以更詳細地顯示流場結構，并能同時得到很好的定量壓力數據。

快速響應PSP技術；快速響應標定裝置；PSP涂料；高超聲速；非定常流動

0 引 言

壓敏涂料(PSP)測試技術能夠大面積定量測量和顯示模型表面壓力分布情況,已廣泛應用于生產型風洞試驗。通常說的PSP技術是指常規的穩態PSP技術,壓敏涂料的響應時間為1s量級。為滿足新型飛行器和空氣動力學發展的需要,快速響應PSP技術發展起來。該技術能滿足非定常風洞試驗和捕捉大面積壓力脈動的需求,對激波位置,分離點位置,激波邊界層干擾和捕捉飛行器動態氣動特性等復雜空氣動力學現象的研究提供全局壓力分布數據和流動顯示圖像。

近些年,國外研究較多的快響應壓敏涂料主要有陽極氧化鋁(AA-PSP)和超細陶瓷粉壓敏涂料(UCP-PSP)。AA-PSP是由陽極化的鋁質材料作為基底。純鋁材料通過陽極化在表面得到蜂窩狀小孔。多孔的表面使得涂料與氧氣接觸面積增大,發光體直接吸附在多孔表面上,具有較快的響應特性,其響應時間在10μs左右。UCP-PSP由易揮發的有機化合物與超細陶瓷粉構成,可以通過噴涂技術在任何材料的模型表面形成多孔的敏感涂層,其響應時間在100μs左右。美國、日本、德國等國家都展開了快速響應壓敏涂料的研究工作,取得了大量的研究成果。美國普度大學較早開展快速響應PSP測試技術的研究工作。他們在高超脈沖風洞和非定常流動測試方面都做了很多卓有成效的工作,其快速響應PSP的采樣頻率可達到22kHz[1-2]。日本航空航天局、東北大學和東京大學對快響應PSP技術進行了大量研究工作,從火箭整流罩非定常壓力測量[10]到三角翼[11-12]以及高超飛行器[13]的非定常試驗都用到了此技術。德國宇航中心將快速響應PSP技術應用到二維翼型動態壓力測量[14]和超燃沖壓發動機進氣道[15]的研究中。國內的航空工業空氣動力研究院引進美國ISSI公司的快響應PSP技術，目前正處于設備的應用調試階段。

航天空氣動力技術研究院對PSP技術進行了多年的研究與應用,自主研發了PSP實驗整套設備和數據處理軟件,掌握了常規PSP實驗技術。在此基礎上，與中科院化學所合作研發了快響應涂料,研制出動態、靜態標定裝置和風洞試驗設備。在高超風洞中開展了一系列試驗,清晰準確地捕捉到了激波與邊界層干擾引起激波振蕩的過程。試驗結果表明自主研發的快響應PSP試驗技術具備了非定常壓力場測量能力。

1 快響應PSP技術原理

壓敏涂料(PSP)技術的基本原理是壓敏涂料探針分子的光致發光和氧猝滅效應。當用適當波長的光照射時,壓敏涂料被激發出更長波長的熒光。由于氧氣分子的對探針分子的“氧猝滅效應”,氧分壓(即當地靜壓)越高熒光減弱得越嚴重。通過測得某處的熒光光強就可得到該處的壓力。按照Stern-Volmer公式來處理壓強與光強之間的定量關系：

式中：p和pr分別表示試驗壓力和參照壓力,I和Ir分別表示試驗光強和參照光強。A和B是壓敏涂料的光強-壓力換算系數,它們由壓敏涂料靜態標定曲線確定。通常用一個大氣壓下的光強表示參照光強Ir,一個大氣壓表示參照壓力pr。

PSP涂料由發光材料和凝結材料組成,PSP涂料中氧氣擴散達到穩態的響應時間表示為：

式中：h是涂層厚度,D是氧氣擴散率。因此,PSP涂料的壓力響應時間隨著PSP涂層厚度增加顯著增加,隨著氧氣擴散率的增加而降低。由此可見,快速響應PSP技術的關鍵是降低涂層厚度并增加氧氣擴散率。

2 快響應PSP涂料及標定裝置

常規PSP涂料由PSP發光基團和粘結劑組成,其響應時間通常在1s量級左右,無法用于非定常流動的測量。本文的快響應PSP涂料由中國航天空氣動力技術研究院和中國科學院化學研究所共同研制。涂料的激發光源為波長365nm紫外光源,激發出的熒光發射波長區域為600～700nm,如圖1所示。該涂料由聚合物形成多孔性的涂層結構,熒光探針分子包含在這些微孔之中,增大了空氣接觸面積,使得響應擴散率增加即降低了反應時間。用PtTFPP作為發光基團,其穩定性較強,在持續光照下發光強度衰減為1.5%/h。相比AA-PSP只能用于純鋁模型,這種涂料可以很容易地噴涂于各種模型表面,耐用性高,能經受住高速氣流沖刷。

圖1 快響應PSP涂料的發射光譜

壓敏涂料靜態標定裝置如圖2所示。壓敏涂料樣片被放置在壓力和溫度分別由真空泵和低溫循環機控制的壓力腔內,在不同壓力和溫度條件下,使用用和風洞實驗相同的光源照射,并利用相同的相機進行拍攝得到相應的圖像組,對圖像處理后得到光強-壓力曲線。由于風洞實驗過程采集到的模型表面溫度穩定在30℃左右,實驗過程壓力范圍小于100kPa,因此標定的溫度范圍為25℃～35℃,壓力范圍為10～100kPa。壓敏涂料的壓力光強性能曲線如圖3所示。其光強壓力性能曲線是非線性的,可用二次多項式描述其特性。

圖2 PSP靜態標定裝置

圖3 PSP涂料壓力光強對應性能曲線

針對快響應PSP涂料需要非常快的壓力階躍的要求,研制了2套動態標定裝置：電磁閥壓力跳變裝置和脈沖射流動態標定裝置。

電磁閥壓力跳變裝置分為3個主要部分,第一部分是真空腔,樣片放置在真空腔內,壓力階躍在該部分產生。第二部分是實驗光路,由PSP樣片、紫外光源、濾光片、透鏡、二向色分光鏡和光學調整元件組成。為了減少紫外光信號對PMT的影響,光路成90°垂直排列。第三部分是光強信號探測設備PMT和高速數據采集器,用于探測PSP涂料輻射出的光強信號強度以及發生階躍的時間,其對光信號的響應時間為6ns,對于測量壓敏涂料的響應時間來說是最好的探測設備。

電磁閥壓力跳變裝置原理圖和實物如圖4所示。其工作過程為：在排氣電磁閥控制下,壓力腔的壓力階躍在1ms左右完成,PSP樣片在激發光源照射下由于壓力階躍產生光強階躍。壓力階躍的時間被Kulite傳感器記錄下來,光強階躍的時間被PMT記錄下來。分析光強階躍的時間曲線,能得到PSP對壓力變化的響應時間,與Kulite傳感器得到的響應過程跟隨性對比，如圖5所示。

由于電磁閥動態標定裝置本身的壓力跳變過程大于1ms,因此對比同時采集的Kulite壓力傳感器數據,PSP光強信號與Kulite壓力信號雖然幾乎同時發生跳變,但不能驗證涂料的絕對響應時間。進一步改進的脈沖射流動態標定裝置如圖6所示,用高壓氮氣作為氣源高速沖擊樣片，使樣片表面被氮氣包圍產生零氧條件從而產生瞬時脈沖,獲得壓力階躍,脈沖射流裝置能夠產生的壓力階躍時間低于0.1ms,更適合用來檢測涂料的實際響應時間。

(a) 原理圖

(b) 實物圖

圖5 電磁閥動態標定裝置PSP和Kulite同步跳變

經過不同的動態標定裝置測試檢驗,不斷改進涂料性能,快響應PSP涂料的響應時間達到0.2ms。這個響應時間已經能滿足非定常壓力測量的需求。典型的PSP壓力階躍信號如圖7所示。

圖6 脈沖射流動態標定裝置

圖7 PSP響應時間達到0.2ms

3 風洞試驗裝置

PSP試驗在航天空氣動力技術研究院FD-03高超聲速風洞進行,風洞噴管截面尺寸為170mm×170mm,Ma=5,p0=1MPa,T0=380K。試驗模型為平板加直立圓柱,測量激波邊界層干擾引起的非定常壓力變化。平板尺寸為330mm×200mm,前緣與噴管出口底板相接。圓柱直徑D=25mm,高度H為25和50mm,噴涂模型如圖8所示。待涂層干燥后清潔風洞,連接壓力掃描閥,測溫傳感器等。調節試驗光路,用紫外光源在試驗段兩側照射模型,相機在試驗段頂部拍攝,試驗方案如圖9所示,風洞試驗裝置如圖10所示。

試驗所用相機為Photron SA5高速相機,位深為12bit,感光靈敏度為ISO 4000。在分辨率為1024pixel×1024pixel的條件下其采集頻率可達到7000幀。本次試驗分別采集了125幀/s和250幀/s的試驗圖像,每次試驗都連續采集500張吹風狀態下的圖像,然后采集50張無風狀態下的參考圖像。50mm焦距的鏡頭安裝在高速相機上,將光圈調到最大以最大程度地接受PSP輻射出的熒光。在鏡頭前安裝650±10nm的帶通濾光片,防止其它波段光線的干擾。試驗光源為2個400W的氙燈紫外光源。

圖8 帶有測壓孔的平板圓柱模型及噴涂過的平板表面

圖9 高超圓柱繞流PSP試驗方案

圖10 風洞試驗裝置圖

PSP試驗的同時,用一臺8400型壓力掃描閥測量80個測壓點的壓力,壓力掃描閥精度為±0.05%F.S.。3個Pt100溫度傳感器用于測量模型溫度,經測量，實驗過程中模型溫度保持在25℃～35℃,因此涂料標定也在這個溫度范圍內。

4 試驗數據處理及結果

風洞試驗采集的圖像包括在風洞停止時采集的參考圖像和風洞運行時采集的試驗圖像。所有圖像都減去暗噪聲圖像,所有參考圖像平均為一張參考圖像,吹風時采集的試驗圖像保持時間連續進行批量處理。數據處理工作利用圖像處理軟件PSPro完成,該軟件具備的功能包括：圖像去噪,特征點提取,圖像配準,圖像增強,偽彩色變換,壓力數據計算,壓力數據提取等。圖像處理程序界面如圖11所示。

(a)

(b) 圖11 圖像處理軟件界面Fig.11 Interface of software

由于PSP涂料的光強-壓力性能曲線表現出非線性關系,壓力數據用公式(3)計算：

PSP試驗前進行了油流和紋影試驗,如圖12所示。油流圖顯示了分離線位置。紋影圖上能清晰觀察到分離激波,弓形激波和λ波。這2種測量方法很好地顯示了定常流場結構,圓柱繞流的流場結構如圖13所示。

H50圓柱對應前20ms的非定常PSP測量結果如圖13所示。從得到的結果可以清晰地觀察到高超聲速情況下圓柱繞流激波振蕩的過程。從風洞試驗結果看,PSP快響應涂料和風洞試驗系統能夠適應高超聲速風洞環境,壓力場顯示結果很好。

8400型壓力掃描閥用于靜態測壓,本次實驗利用其結果反應PSP試驗采集非定常壓力數據的能力,實驗中采集了幾組掃描閥靜態測壓結果,取其均值作為單點壓力對比數據。而PSP數據能很好地反映出非定常流動的過程。計算得到的PSP測壓數據與測壓孔測量數據吻合較好,部分對比結果如圖15～18所示。

(a) 油流圖

(b) 紋影圖圖12 油流和紋影圖(Ma=5,H/D=2)Fig.12 Flow fields around the cylinder (Ma=5,H/D=2)

圖13 流場結構示意圖

t=0ms t=4ms

t=8ms t=12ms

t=16ms t=20ms

圖15 測壓孔與PSP測壓數據對比截面1

(a) t=0ms

(b) t=4ms

(c) t=8ms

(d) t=12ms

圖17 測壓孔與PSP測壓數據對比截面2

(a) t=0ms

(b) t=4ms

(c) t=8ms

(d) t=12ms

5 結 論

介紹了自主研發的快響應PSP涂料和標定設備,經過不斷改進,快響應PSP涂料響應時間達到0.2ms。通過在Ma5高超聲速風洞中對圓柱繞流的非定常壓力場測量,獲得了時間序列的壓力場數據,與測壓孔數據相比其空間分辨率高,數據量大,能捕捉到流動的非定常效應。試驗驗證了PSP涂料和試驗系統性能穩定,表明快響應PSP技術是研究非定常流場的有力工具。

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(編輯：李金勇)

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)

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 atMa=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.

fast response pressure sensitive paint;dynamic-response calibration device;PSP coating; hypersonic;unsteady flows

1672-9897(2015)03-0054-08

10.11729/syltlx20140108

2014-09-25

2015-01-20

XiangXJ,XiongHL,YuanML,etal.UnsteadypressuremeasurementaroundcircularcylinderinhypersonicflowsusingfastresponsePSP.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 54-61. 向星居, 熊紅亮, 袁明磊, 等. 快響應PSP技術用于高超聲速圓柱繞流的非定常壓力測量. 實驗流體力學, 2015, 29(3): 54-61.

V211.7

A

向星居(1984-)，男,重慶人,工程師。研究方向：實驗空氣動力學。通信地址: 北京市7201信箱39分箱(100074)。E-mail: 15901287499@126.com

*通信作者 E-mail: xhl0708@sohu.com