CN111458101A - 一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其步骤包括：步骤S1：通过相机拍摄暗背景；将相机和激励光源架设于模型待测压力面的正上方，试验现场处于暗室环境，通过相机拍摄环境暗背景图；步骤S2：打开激励光源；步骤S3：通过相机拍摄无风参考图像；步骤S4：风洞起风；风洞开车，运行至试验风速和试验状态；模型在流场内，利用压敏漆感受模型表面的压力发生变化，激励光源和相机在流场外；步骤S5：相机拍摄实验图像，记录模型表面脉动压力情况；步骤S6：计算、实验结果显示。本发明具有操作使用简便、智能化程度高、检测效率高、检测效果好等优点。

Description

一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法

技术领域

本发明主要涉及到飞行器性能检测技术领域，特指一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法。

背景技术

随着飞行器性能指标不断提升，其气动外形更加复杂、结构设计裕度更小，气动载荷分布对飞行器性能、操稳特性及结构强度有很大的影响。在各类飞行器的设计、改进和定型研制中，通过模型表面压力分布测量可以获取模型表面压力分布、气流在模型上的分离特性以及作用在模型上的升力、压差阻力和压力中心位置等数据，是优化飞行器气动性能、进行结构强度校核、验证数值计算结果的直接依据。

传统的风洞测压试验方法是在模型表面所测位置开孔，通过管路连接到压力传感器上，采用脉动压力传感器测量非定常压力分布。这种以离散压力孔阵列方式测量的方法，在实际应用过程中存在以下不足：

1、需要为测压试验专门设计加工模型，布置数百至数千个压力孔，试验准备难度大周期长。

2、压力孔会对被测模型表面造成破坏，影响表面压力测量精度。

3、相邻的压力孔之间存在一定的距离，限制了测压试验的空间分辨率。

4、压力孔有一定的安装尺寸，对薄机翼边缘、襟翼、平尾、垂尾、机翼与发动机短舱结合部等处开孔，削弱了模型结构强度、压力传输管路空间布局安装困难，很难开孔测量；模型运动部件如直升机旋翼，由于传感器需要管路连接，无法安装传感器测量。

为了解决传统测压方法面临的问题，国际上发展并普遍采用了压敏漆(PSP，Pressure Sensitive Paint)技术获取压力分布的非接触测量方法。PSP技术利用发光涂层分子在特定波长激发光照射下其荧光强度随压力变化的现象，将压力大小转化为光强信息后再进行图像处理，计算出模型表面压力分布，具有空间分辩高、不受模型结构限制、不破坏模型表面流场、可实现大面积压力分布测量等优点。目前，PSP技术的应用已涵盖航空航天飞行器表面压力分布测量、直升机旋翼表面压力分布测量、航空发动机风扇/压气机叶片等部件表面压力分布测量、复杂流动机理研究等众多领域。在国外航空、航天领域的空气动力学研究与型号研制等一系列任务中，PSP技术已起着极其重要的关键技术支撑作用。特别是美国，已将定常PSP技术作为常规配置开展型号试验。此外，针对具有复杂气动特性的模型非定常压力测量，如直升机旋翼表面压力分布测量以及湍流等非定常复杂流动中模型表面压力分布测量，快响PSP技术也发挥着极其重要的作用。

但是，目前压力敏感涂料只用于定常的表面压力非接触测量，与扫描阀形成互补；脉动压力测量方面还没有应用压敏漆进行试验的成熟方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作使用简便、智能化程度高、检测效率高、检测效果好的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其步骤包括：

步骤S1：通过相机拍摄暗背景；将相机和激励光源架设于模型待测压力面的正上方，试验现场处于暗室环境，通过相机拍摄环境暗背景图，用于后期扣除背景噪声干扰；

步骤S2：打开激励光源；先打开激励光源进行预热，待光强稳定后进行下一步试验；

步骤S3：通过相机拍摄无风参考图像；待激励光源稳定后，此时激励光源均匀照射于模型表面；

步骤S4：风洞起风；风洞开车，运行至试验风速和试验状态；模型在流场内，利用压敏漆感受模型表面的压力发生变化，激励光源和相机在流场外；

步骤S5：相机拍摄实验图像，记录模型表面脉动压力情况；

步骤S6：计算、实验结果显示；将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线后对实验拍摄的图像进行计算、显示实验结果。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S3中，在风动吹风前，通过相机拍摄有光情况下的模型图像，作为试验参考，用于后期数据处理时扣除激励光源光强分布不均匀引入的测量误差。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S5中，根据试验情况，激励光源持续照射模型表面，从起风开始或风速稳定后开始，相机以高频模式进行图像采集。

作为本发明的进一步改进：所述激励光源为LED或大功率连续激光器，波长为400nm附近，为紫外波段。

作为本发明的进一步改进：所述相机的图片采集频率大于5K/fps。

作为本发明的进一步改进：所述压敏漆为单组份压敏漆或双组份压敏漆。

作为本发明的进一步改进：所述压敏漆的响应速度小于200μs。

作为本发明的进一步改进：所述相机上的滤光片采用窄带带通滤光片，包含信号滤光片和参考滤光片。

作为本发明的进一步改进：所述相机的镜头前加装滤光片切换装置，当使用双组份压敏漆时使用滤光片切换装置以获得相同状态下使用不同滤镜采集的光强图像。

作为本发明的进一步改进：所述滤光片切换装置包括数字舵机和滤光片夹持板，由上位机控制舵机旋转滤光片夹持板，实现信号滤光片与参考滤光片的快速切换。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，操作使用简便、智能化程度高、检测效率高、检测效果好。本发明是一种基于快速响应压敏漆的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法。该方法的主要优势在于只需要一台LED激励光源/激光器，以及一台高速相机即可。

2、本发明的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，鲁棒性强。由于***结构简单、调节变量少，在长时间工作时，出错概率低。

3、本发明的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，测量方便、分辨率高。与传统的脉动压力传感器方案相比，本方案不需要在模型表面开孔，节约成本和时间，测量分辨率可达像素级。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中搭建的检测***示意图。

图3是本发明在具体应用实例中的模型示意图。

图4是在具体应用实例中采用传统方法的检测结果示意图。

图5是在具体应用实例中采用本发明方法的检测结果示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，是一种基于快速响应压敏漆的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其步骤为：

步骤S1：通过相机(如高速相机CCD)拍摄暗背景。

将高速相机(CCD)和激励光源架设于模型待测压力面的正上方，试验现场应尽量处于暗室环境，通过高速相机(CCD)拍摄环境暗背景图，用于后期扣除背景噪声干扰。

步骤S2：打开激励光源(如LED或激光光源)。

LED或激光光源的光强稳定性也会引入测量误差，因此需要先打开激励光源进行预热，通常约30-60秒钟，待光强稳定后进行下一步试验。

步骤S3：通过高速相机(CCD)拍摄无风参考图像。

待激励光源稳定后，此时激励光源均匀照射于模型表面。

进一步还可以在风动吹风前，通过CCD拍摄有光情况下的模型图像，作为试验参考，用于后期数据处理时扣除激励光源光强分布不均匀引入的测量误差。

步骤S4：风洞起风。

风洞开车，运行至试验风速和试验状态。此时，模型在流场内，压敏漆感受模型表面的压力发生变化，激励光源和高速相机在流场外。

步骤S5：CCD拍摄实验图像。

根据试验情况，激励光源持续照射模型表面，可从起风开始或风速稳定后开始，相机以高频模式进行图像采集，记录模型表面脉动压力情况。

步骤S6：计算、实验结果显示。

将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线后对实验拍摄的图像进行计算、显示实验结果。

在具体应用实例中，本发明的激励光源为LED或大功率连续激光器，波长为400nm附近是紫外波段。

在具体应用实例中，本发明的高速相机的图片采集频率大于5K/fps。

在具体应用实例中，本发明的压敏漆可以根据实际需要选择单组份压敏漆或双组份压敏漆，响应速度应小于200μs；固定翼模型表面可喷涂单组份或双组份压敏漆。

在具体应用实例中，本发明的相机上滤光片采用窄带带通滤光片，包含信号滤光片和参考滤光片，相机的镜头前加装滤光片切换装置，当使用双组份压敏漆时使用滤光片切换装置以获得相同状态下使用不同滤镜采集的光强图像。

在具体应用实例中，切换装置包括数字舵机和滤光片夹持板，由上位机控制舵机旋转滤光片夹持板，实现信号滤光片与参考滤光片的快速切换。

采用本发明的方法，与定常PSP方法相比，首先光源稳定性与定常PSP相比要求更高，由于测量模型表面脉动压力的动态过程，测量时间较长(约几分钟)，而普通定常PSP试验用的LED光源由于使用时间短，不考虑长期稳定性问题，光源功率波动引起的测量结果变化会掩盖真实的压力变化，无法满足本方案的要求。本发明需要LED或激光光源长时稳定性优于95％。因此在光源设计制作时，一般应具备功率反馈***。其次，PSP涂料的光降解率与定常PSP试验相比应当更低，由于测量时间较长，且LED或激光光源在试验中需要长时间开起，普通的PSP涂料光降解率较快，引入的测量误差很大，会导致测量结果无效，因此，本发明所采用的涂料光降解率应小于5％每天。第三，本发明中记录图像所用的相机在较佳实施例中具备调制模块，可对相机进行设置，对若干张图像进行叠加输出，起到信号放大的作用。最后，在本发明中计算软件应具备批处理功能，与定常PSP相比，本发明的图像采集量巨大，数据处理工作量大，在计算软件中设计批处理功能，能够高效的进行结果输出。

在一个具体应用实例中，采用单组份压敏漆，首先需要通过高速相机(CCD)拍摄暗背景图，用于后期扣除背景噪声干扰；随后打开激励光源，使得光强稳定；待光源稳定后，再通过CCD拍摄有光情况下的模型图像，作为实验参考；风洞开车，运行至实验风速和实验状态；此时相机以高频模式进行图像采集，滤光片采用信号滤光片且不切换，记录模型表面脉动压力情况；通过预先校准的数据，对实验拍摄的图像进行计算、显示实验结果。

在另一个具体应用实例中，采用双组份压敏漆，首先需要通过高速相机(CCD)拍摄暗背景图，用于后期扣除背景噪声干扰；随后打开激励光源，使得光强稳定；待光源稳定后，再通过CCD拍摄有光情况下的模型图像，作为实验参考；风洞开车，运行至实验风速和实验状态；此时相机以高频模式进行图像采集，拍摄记录模型表面脉动压力情况。滤光片包含信号滤光片和参考滤光片，滤光片切换装置以6s为周期进行切换：信号滤光片拍摄5秒钟后切换一次，记录1s钟的温度参考图像；最后，通过预先校准的数据，对实验拍摄的图像进行计算、显示实验结果。

本发明的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，与传统方法相比，其优点如下表所示：

表1传统脉动测压方式与快响压敏漆技术优缺点对比

实验模型如图3所示，原有方法需要在模型表面开设测压孔，测量结果为离散的点，且模型设计复杂。参见图4和图5，以攻角10°，风速为60m/s试验为例，原有方法的实验结果为离散点(图4所示)，压敏漆测量结果如图5所示，可以得到表面压力的连续分布，测量简单、模型不需开孔，且实验过程简单。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：通过相机拍摄暗背景；将相机和激励光源架设于模型待测压力面的正上方，试验现场处于暗室环境，通过相机拍摄环境暗背景图，用于后期扣除背景噪声干扰；

步骤S2：打开激励光源；先打开激励光源进行预热，待光强稳定后进行下一步试验；

步骤S3：通过相机拍摄无风参考图像；待激励光源稳定后，此时激励光源均匀照射于模型表面；

步骤S4：风洞起风；风洞开车，运行至试验风速和试验状态；模型在流场内，利用压敏漆感受模型表面的压力发生变化，激励光源和相机在流场外；

步骤S5：相机拍摄实验图像，记录模型表面脉动压力情况；

步骤S6：计算、实验结果显示；将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线后对实验拍摄的图像进行计算、显示实验结果。

2.根据权利要求1所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在风动吹风前，通过相机拍摄有光情况下的模型图像，作为试验参考，用于后期数据处理时扣除激励光源光强分布不均匀引入的测量误差。

3.根据权利要求1所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据试验情况，激励光源持续照射模型表面，从起风开始或风速稳定后开始，相机以高频模式进行图像采集。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述激励光源为LED或大功率连续激光器，波长为400nm附近，为紫外波段。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述相机的图片采集频率大于5K/fps。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述压敏漆为单组份压敏漆或双组份压敏漆。

7.根据权利要求6所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述压敏漆的响应速度小于200μs。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述相机上的滤光片采用窄带带通滤光片，包含信号滤光片和参考滤光片。

9.根据权利要求8所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述相机的镜头前加装滤光片切换装置，当使用双组份压敏漆时使用滤光片切换装置以获得相同状态下使用不同滤镜采集的光强图像。

10.根据权利要求8所述的风洞固定翼模型表面脉动压力测量方法，其特征在于，所述滤光片切换装置包括数字舵机和滤光片夹持板，由上位机控制舵机旋转滤光片夹持板，实现信号滤光片与参考滤光片的快速切换。

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