熒光微絲在低速風洞試驗中應用的關鍵技術研究

惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊

(西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國家重點實驗室, 西安 710072)

熒光微絲在低速風洞試驗中應用的關鍵技術研究

惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊

(西北工業大學 翼型葉柵空氣動力學國家重點實驗室, 西安 710072)

熒光微絲法是將含有熒光物質的直徑極小的絲線粘貼布置于模型表面，在紫外線照射下呈現出明顯的熒光效果，以此來顯示模型表面流場的試驗方法，能減小絲線對流場的干擾進而更加真實地反映流場特征?；谠谖鞅惫I大學NF-3低速風洞中進行的某大型民機增升裝置風洞試驗，完成了低速風洞中使用熒光微絲法進行表面流動顯示的關鍵技術研究，包括熒光微絲的制成及粘貼方式、光源的選擇及拍攝技術等。模型機翼上表面絲線在不同迎角下的流譜清晰直觀、區別明顯、易于判讀，可較為精細地反映流經翼面的氣流狀態和范圍，并可清晰反映表面流譜隨模型姿態角的連續變化情況。同一工況下與熒光油流流譜相一致，說明可較準確地顯示流場。與測力試驗結果的對比可以看出，熒光微絲流譜結果與測力結果相對應，可以更好地用于流場分析。

熒光微絲；流場；增升裝置；低速風洞；流動顯示

0 引 言

風洞試驗中的一些繞流現象十分復雜，目前理論方法尚不能對這些復雜流動進行完全準確地描述。數值模擬技術盡管在某些飛機設計中已成為主要方法，但由于受多種因素的制約欲完全準確地處理如此復雜的真實流動依然十分困難，而這些復雜流動恰恰對飛機的氣動性能和操控特性有著重要影響，在型號研制過程中往往更需要研究這些復雜流動的流場變化。

隨著科學技術的迅速發展，近些年來，新一代流動顯示技術如粒子成像測速技術(PIV)、壓敏漆技術(PSP)等的出現使流場的測量方法和技術有了很大的進展[2]。但新興流動顯示方法大多試驗操作較復雜，后期的數據處理工作也具有較高的技術要求，目前國內對這些技術在大型風洞中的使用并不十分成熟，很多仍在研究實驗階段。而傳統的表面流動顯示技術因其操作簡單、試驗成本低廉等優點作為風洞試驗的常規技術至今仍在廣泛使用。

常規絲線法是最早采用的傳統流動顯示技術之一，但因其自身的局限性不能在要求較高的流場顯示中使用。熒光微絲顯示技術是常規絲線法的改進方法，早在1980年就被Boeing公司首次推出，并逐漸在歐美風洞試驗研究中得以推廣。2001年美國Mr. Stephen P. Cook與Dr. Jewel Barlow使用熒光微絲技術顯示F/A-18E某型號模型的表面流場，試驗在NASA的12英尺風洞中進行，所用絲線直徑0.15mm，長度30～40mm，試驗結果表明使用該技術可有效觀察到不同姿態角下模型表面清晰的流動狀態，使區域流動分離可視化[3-4]。上世紀90年代，南京航空航天大學在國內首次對熒光微絲顯示技術進行了開拓性研究，成功觀察到多種典型機翼流譜，且熒光微絲所得流譜直觀、容易判讀，能大大節省試驗時間，最后證明了粘貼絲線對測力試驗結果幾乎無影響[5-6]。然而由于熒光微絲顯示技術在實踐過程中存在的一些具體技術和應用問題，致使其在國內的風洞試驗中未能得以大范圍應用。

為發展實用可靠的熒光微絲流動顯示技術以進行更為精細的流場特性分析，本文從絲線的制成及粘貼方法、光源及拍攝技術等方面對熒光微絲的具體技術進行了較為全面的研究，并在某大型民機增升裝置的流動顯示及控制試驗中得到了驗證。

1 絲線的制成及粘貼

1.1 絲線的制成

表1 多種類型熒光微絲的直徑及材質

圖1 常規絲線與不同直徑的熒光微絲對比圖

Fig.1 Comparison between common tuft and fluorescent mini-tufts of different diameters

根據直徑大小將絲線分為4組，進行觀察并照相記錄。分別比較S1-1與S1-2、S2-1與S2-2、S3-1與S3-2、S4-1與S4-2這4組絲線的熒光效果，可觀察到直徑相同的不同材質絲線熒光效果基本相同，說明絲線的熒光效果與材質(棉或滌綸)無關。圖1中左起紅色絲線為常規絲線，其余4種為不同直徑的棉質熒光微絲(擺放順序與表1相對應)，分別觀察在普通光照下與紫外燈照射下的視覺效果。不難看出與常規絲線相比，熒光微絲在紫外燈照射下視覺直徑明顯增大，且直徑越大熒光效果越明顯。在研究材質對試驗結果影響時發現風速較低時相同直徑的棉質比滌綸更容易隨氣流擺動，這是因為滌綸絲線材料本身的彈性模數較大，在絲線長度較短時顯現剛度較大、柔軟度不夠[7]。根據以上分析考慮熒光效果、材質、直徑幾個主要影響因素，認為S3-1最合適。

1.2 粘貼前處理

粘貼前要對熒光微絲進行一些必要的處理：利用柔軟劑對絲線進行柔化處理，進一步增強絲線的柔軟度，并能使絲線表面變得更加順滑，減少出現抽絲及相鄰絲線相互纏繞的情況；通過抗靜電處理，防止試驗中絲線與氣流摩擦時產生靜電，避免絲線相互吸附或吸附于模型表面。

1.3 粘貼技術

試驗模型表面通常較光潔，而固體粘貼劑和液體粘貼劑極易影響模型表面的粗糙度甚至改變模型的局部外形。經過大量的試驗嘗試，最終采用特制的厚度僅為10μm、寬度為10mm的超薄膠帶粘貼絲線，其表面光潔度與模型表面基本一致，能夠較好保持模型的表面精度，且由于其厚度遠小于邊界層厚度，對流場的影響可以忽略。

對于給定的試驗條件，不同規格的絲線均存在其最小絲線長度，試驗中需要根據具體試驗條件確定絲線的預留擺動長度。經風洞吹風試驗證明，前文中S3-1號絲線其粘貼后預留擺動長度一般不可小于30mm。粘貼的密度需視模型尺寸大小以及所要觀察的區域流場特征而定，若只關注模型大范圍內的一個整體流態則絲線可貼布較稀，而對于重點關注區域則需絲線盡可能短、粘貼密度盡量大一些。

2 光源及拍攝技術

2.1 光源的選擇

基于上述討論,本文設計了一款實驗用四頻帶帶通濾波器。濾波器基板的相對介電常數為2.33,厚度為0.8 mm,機械尺寸小于21 mm×32 mm,大約為0.18λg×0.13λg,其中λg表示濾波器第一通帶中心頻率處的基板上的導波波長。

利用紫外光源照射絲線發出熒光，要求紫外線波長與絲線所含的熒光物質的吸收波峰相匹配。研究表明熒光物質在長波紫外線(波長為320～400nm)照射下會發出一定的可見光，其中波長為365和395nm紫外光所產生的熒光效果較其它更明顯。通過表2中幾種不同的紫外線燈，研究主波長及功率對熒光效果的影響。

表2 幾種不同紫外線燈的主波長及功率

試驗發現G1-1與G1-2號紫外燈功率很大，但產生的熒光效果并不理想，且對散熱技術要求較高；波長為395nm的G2-1、G2-2、G2-3熒光效果明顯好于波長為365nm的G1-3、G1-4；值得注意的是G1-3與G2-1相比較，功率大的G1-3其熒光效果卻不如G2-1明顯。經分析發現：紫外光源功率過大時所含可見光過多，嚴重影響所觀察的熒光效果，如要使用需進行可見光過濾；紫外燈的主波長比功率對熒光效果的影響更顯著；提高熒光微絲的發光效率及采用匹配波長的紫外線，可降低所使用光源的功率。與本次試驗所選熒光物質相匹配的紫外光，波長395nm比365nm更合適；功率為100W的G2-3號熒光效果最佳，但因其功率過大、紫外線對人體損傷嚴重不建議使用。因此，G2-1、G2-2適合用于試驗。

2.2 拍攝技術

為增強拍攝效果，使用高清數碼相機和高清數碼錄像機進行流場顯示的拍攝，研究各項參數對拍攝效果的影響。由于紫外光源發出的光線中含有較多的紫光，會對現場熒光加以遮飾，所以首先要調節色溫過濾大量的紫光，光圈、曝光時間等要根據具體試驗條件及所觀察流動狀態確定。試驗時在風洞外進行拍攝，保證照相機與紫外光源入射方向呈銳角，以免出現反光影響拍攝效果，并隨模型迎角的改變進一步調整光源入射方向和拍攝角度。周圍環境不宜太亮以免影響觀察和記錄，拍攝時關掉洞內照明燈，并用遮光布阻擋洞外可見光的進入。

3 試驗驗證

3.1 試驗風洞及模型狀態

試驗在西北工業大學NF-3低速風洞三元試驗段中進行，試驗段橫截面長12m、寬3.5m、高2.5m，最大風速可達90m/s。試驗模型為某大型民機半模，模型縮比為1∶10。為研究增升裝置[8]的復雜幾何構型對該半模翼面流場的影響，進行了大量的流動顯示試驗。試驗中模型機翼分別為巡航構型和著陸構型，并帶有短艙和導流片，試驗雷諾數Re=1.7×106。機身下方插入邊界層墊塊以減小模型和風洞壁面邊界層互相干擾，墊塊高度55mm。

3.2 不同流場的熒光微絲流譜顯示

圖2為不同迎角時模型巡航基準狀態下機翼上表面外側接近翼尖處的流場熒光微絲流譜圖。現觀察各圖中同一區域絲線的狀態(圖中用矩形區域標注出，其中展向3條熒光線分別對應30%、50%和70%弦長)。圖中每一根絲線的流動狀態清晰可辨，迎角為0°時絲線順氣流緊貼模型表面，表明為附著流；迎角為12°時所有絲線均呈現“倒鉤狀”，說明發生了嚴重分離；迎角為10°時除大部分“倒鉤狀”絲線還有少數微絲尾部出現些許模糊，說明此處有輕微分離[5-6]。由圖中可以看出流動附著、失穩和分離狀態區別清晰、易于判讀，同時各種流態分界明顯，可讀出各種狀態的大致范圍(如3.4節)，易于進行流場的分析并和測力、測壓結果進行比較。

3.3 與熒光油流試驗結果對比

為驗證熒光微絲能否真實顯示流場，分別采用熒光微絲法和熒光油流法顯示模型巡航構型時的流譜，對結果進行比較。由攝像結果可清楚觀察到機翼上表面翼尖段的流動狀態：當模型迎角為9°時，如圖3(a)所示，機翼外側區域氣流幾乎全部為附著流，只有機翼后緣出現輕微分離；當迎角為10°時翼面開始出現大面積的分離，隨著迎角的增大分離區逐漸擴大，并且分離越來越劇烈；迎角為11°時如圖3(b)所示，熒光微絲顯示的大范圍分離區恰與熒光油流下方沒有明顯油跡線以及上方的油積區相對應。說明熒光微絲顯示結果與熒光油流結果一致，表明熒光微絲技術可較準確顯示流場信息。

3.4 與風洞測力試驗結果對比

為考查熒光微絲顯示結果與測力試驗結果的相關性，我們進行了對比試驗。模型為著陸構型，使用角度塊調整前緣縫翼與固定翼之間的角度，其中靠近機身內側的角度塊分別安裝在不同位置A、B，如圖4(a)、5(a)所示，將前緣襟翼固定在相同的角度。在2種狀態下分別進行了流動顯示和測力試驗，分析角度塊位置對試驗結果的影響。圖6為進行阻塞和升力效應修正后的測力結果，為說明方便，流動顯示試驗結果也統一使用修正角度。

熒光微絲試驗結果如圖4、5所示。圖4中角度塊安裝在位置A，迎角為12°時除翼根接近后緣處有不明顯的輕微抖動，其它位置幾乎均為附著流；迎角為13°時局部區域的絲線開始呈現出明顯的擺動，甚至出現少許“倒鉤狀”，表明該區域出現局部分離，經測量約占圖中粘貼絲線區域面積的9.8%；迎角為14°時分離區擴大至約19.8%。由圖6的升力曲線可以看出，由于表面分離區的出現，在迎角12°左右即出現失速，但是由于分離區變化緩慢未造成升力系數的劇烈變化。角度塊安裝在位置B時，圖5顯示直到迎角為17°時機翼的翼根處才出現了輕微的流動分離特征，迎角為18°時很快便有約51.5%的區域出現分離，迎角為19°時分離區繼續增大至69.5%。由升力曲線可以看出，當內側角度塊向內移到B位置時，失速迎角為17°，之后升力系數有突然的變化。

圖2 機翼上表面外側熒光微絲流譜(巡航構型、Re=1.7×106)

圖3 機翼上表面外側熒光微絲與熒光油流顯示流譜對比(巡航構型、Re=1.7×106)

Fig.3 The contrast between fluorescent mini-tufts flow patterns and fluorescent oil flow patterns near the wingtip on the upper surface of the wing (cruise configuration、Re=1.7×106)

圖4 機翼上表面內側熒光微絲顯示流譜(著陸構型、角度塊在A位置、Re=1.7×106)

Fig.4 The fluorescent mini-tufts flow patterns near the root section on the upper surface of the wing (landing configuration、the angle block in theAposition、Re=1.7×106)

圖5 機翼上表面內側熒光微絲顯示流譜(著陸構型、角度塊在B位置、Re=1.7×106)

Fig.5 The fluorescent mini-tufts flow patterns near the root section on the upper surface of the wing (landing configuration、the angle block in theBposition、Re=1.7×106)

圖6 模型角度塊對升力曲線的影響(著陸構型、Re=1.7×106)

Fig.6 The influence of angle blocks on lift curves (landing configuration、Re=1.7×106)

通過上面的分析可以看出，試驗模型角度塊的位置對流動影響較大，選擇角度塊的合適位置可對翼面分離起到延緩作用，從而增大失速迎角。同時可以看出熒光微絲流譜和測力結果相對應，并很好地解釋了測力結果，為試驗結果的分析提供了重要依據。

4 結 論

進行了熒光微絲法在大型低速風洞中應用的一些關鍵技術問題研究，包括絲線的制作、粘貼方法的研究、光源的選擇、照相攝像的方法等。研究結果表明：

(1) 所發展的方法效果好、效率高、結果精確，可以有效地應用于大型風洞的較高精度要求的表面流動顯示試驗中。

(2) 不同迎角下進行風洞試驗，模型機翼上表面絲線的流譜清晰直觀、區別明顯，不同流動狀態易于判讀，并可以進行各種流動狀態范圍的較精細劃分。

(3) 與熒光油流試驗對比，同一工況下流譜較一致，說明熒光微絲技術可較準確顯示流場。與測力試驗結果對比發現，流動顯示試驗結果和測力結果相對應，并很好地解釋了測力結果，為試驗結果分析提供了重要依據。

[1] 張斌, 詹浩, 朱軍. 飛機增升裝置的數值模擬研究[J]. 航空工程進展, 2011, 2(1): 61-65.

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(編輯：李金勇)

Key technologies study of fluorescent mini-tuft application in the low speed wind tunnel tests

Hui Zenghong, Hou Jinyu, Deng Lei

(National key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Fluorescent mini-tuft method is a surface flow visualization technology using mini-tuft with fluorescent material to visualize the flow characteristics under the UV light of specific wavelength. This method can reduce the disturbance of the tufts to the flow and give more accurate flow information. In this paper, the key technologies (including the making and sticking method of the mini-tufts, choosing the wavelength of UV lights and taking photos, etc.) of fluorescent mini-tuft method are investigated based on a high-lift device wind tunnel test of a certain civil aircraft in NF-3 low speed wind tunnel of NWPU. The results show that, (1) the flow patterns at different angles of attack are clear and intuitive, and the developments of the flow states with the angle of attack are shown, (2) the flow state and range can be easily read in detail from the flow patterns, (3) compared with the fluorescent oil flow tests, the results are relatively similar under the same experimental conditions. It shows that the fluorescent mini-tuft method can exactly display the flow field. The flow visualization results agree well with the force measurement experiments and thus can interpret the force measurement results.

fluorescent mini-tuft; flow field; high-lift device; low speed wind tunnel; flow visualization

1672-9897(2015)01-0092-05

10.11729/syltlx20130117

2014-01-17;

2014-04-21

HuiZH,HouJY,DengL.Keytechnologiesstudyoffluorescentmini-tuftapplicationinthelowspeedwindtunneltests.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(1): 92-96. 惠增宏, 侯金玉, 鄧 磊. 熒光微絲在低速風洞試驗中應用的關鍵技術研究. 實驗流體力學, 2015, 29(1): 92-96.

V211.753

A

惠增宏(1969-)，男，陜西富平人，博士，高級工程師。研究方向：流體力學測量與控制。通信地址：陜西省西安市西北工業大學111信箱(710072)。E-mail: huizh@nwpu.edu.cn