CN113959728B - 基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，首先在叶轮机械叶片表面涂上一层具有低导热率和高反射率的涂层，通过采用瞬态光脉冲(例如，由闪光灯或激光产生)加热叶片表面，使涂层最外层升温。关闭光源后，使用高速红外摄像头检测每个像素的温度下降情况。这种温度下降在后处理算法中进行评估，得出与传热系数和壁面剪切应力成正比量，精准捕捉叶轮机械叶片表面边界层层流、转捩及湍流特征，从而为叶轮机械精细化设计提供先进测试技术。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机叶轮机械精细化测试技术领域，具体涉及一种基于温降热成像的边界层转捩测试方法，用于精准捕捉叶轮机械叶片表面边界层层流、转捩及湍流特征，为叶轮机械精细化设计提供先进测试技术。
背景技术
现代燃气涡轮发动机为了获得尽可能高的效率，必须在设计阶段对叶轮机械叶片气动性能进行优化设计。为了设计最优叶片气动布局，详细了解所有工况下叶片表面上所有位置的边界层层流、转捩及湍流状态至关重要。
为了检测叶片表面边界层的转捩行为，现有技术中已经开发了许多测量技术。其中，基于表面热膜测试边界层转捩方法得到了广泛使用。热膜传感器的优点是数据采集频率高，因此可以检测流体流动中的瞬态行为。然而，其缺点也非常明显，由于是接触式测试，对边界层造成干扰，且不易在叶轮机械转子叶片表面开展边界层状态测量。为了最大限度地减少对边界层流动的干扰，现有技术中还开发了几种具有高空间分辨率的非接触式的边界层光学测试方法。如OI等人使用了粒子图像测速法检测出了叶片层流分离后的层流湍流转捩现象。Bouchardy和Durand、Crawford等人以及Richter和Schülein利用红外热成像测量了叶片表面的绝热温度分布，进而判断边界层转捩区域。然而，这两种光学方法主要的缺点是，被测叶片表面总是受周围叶片的反射和折射影响，且对视角存在高度依赖性，从而隐藏了由边界层转捩引起的表面温度变化的影响，对边界层测试带来较大不确定性，不能精准捕捉叶轮机械叶片表面边界层层流、转捩及湍流特征，无法满足叶轮机械精细化设计。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明结合非接触式光学方法特点，针对叶轮机械叶片表面边界层层流、转捩及湍流特征，同时考虑到层流和湍流的传热系数差异大，提出了一种基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，首先在叶轮机械叶片外表面涂上一层具有低导热率和高反射率的涂层，通过采用瞬态光脉冲光源加热叶片表面的涂层，使涂层外表面升温若干摄氏度。之后关闭瞬态光脉冲光源后，涂层表面温度下降，使用高速红外摄像头检测每个像素的温度下降情况。这种温度下降在后处理算法中进行评估，得出与传热系数和壁面剪切应力成正比量，精准捕捉叶轮机械叶片表面边界层层流、转捩及湍流特征，从而为叶轮机械精细化设计提供先进测试技术。
本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案为：
一种基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其特征在于，所述测试方法至少包括如下步骤：
SS1.在叶轮机械叶片外表面涂覆一层具有低导热率和高反射率的涂层；
SS2.采用瞬态光脉冲光源加热叶轮机械叶片外表面的涂层，待涂层外表面升温若干摄氏度后关闭瞬态光脉冲光源；
SS3.使用高速红外摄像头检测每个像素的温度下降情况，利用如下计算式计算每个像素的温度下降率Λ：
其中，为摄像头的帧率，m是图片索引，T′m为当前帧图片的温度，T′m+1为下一帧图片的温度；
SS4.利用步骤SS3计算得到每个像素的温度下降率Λ值计算各像素的(Λ-Λref)值，其中Λref代表固壁表面无流动时的温降率，绘制(Λ-Λref)值沿叶轮机械叶片翼形弦向的分布图，即可获得叶轮机械叶片表面边界层的流动转捩特性，沿叶片翼形弦向(Λ-Λref)值的突升位置，即为转捩位置。
优选地，所述叶轮机械叶片为燃气涡轮发动机压气机静子叶片、涡轮静子叶片、压气机转子叶片、或涡轮转子叶片。
优选地，步骤SS2中，所述瞬态光脉冲光源可以为闪光灯或瞬态激光。
优选地，步骤SS2中，涂层外表面升温不超过10摄氏度。
本发明的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其工作原理为采用理想绝热简化模型建立壁面剪应力与传热系数的关联方程，具体而言：
叶轮机械叶片表面的涂层经过瞬态光脉冲加热之后的温升(T′＝T-T∞)为：
其中，qpulse、ce和ρe分别表示瞬态光脉冲的能量密度、比热和涂层密度，而h表示瞬态光脉冲的穿透深度。T′代表温升，T代表当前温度，T∞代表来流温度即环境温度，T′0代表加热后的温升初始值。
根据牛顿冷却定律，从受热表面到气流的热通量由下式给出：
其中，α表示传热系数。
因此，理想绝热简化模型的微分方程可以写为：
求解可得：
其中T′(t)表示温升随时间变化。
在理想绝热的情况下，进入流体的热量可以表示为：
α＝ceρehΛ (5)
其中，Λ为温度下降率。
热量激发后，温度下降率Λ为常数，可由下式确定：
其中，为相机的帧率，m是图片索引，T′m为当前帧图片的温度，T′m+1为下一帧图片的温度，通过对数其级数展开来近似。
对于普朗特数Pr≈1的亚音速气流，雷诺类比因子s大约为常数：
其中，St为斯坦顿数，cf表示流体摩擦系数，流体摩擦系数cf的计算式为：
τw为壁面剪切应力，ρ作为流体的密度，U∞为流体的自由流速度。
传热系数α和斯坦顿数St的关系为
cp为流体的等压比热容。
等式(5)、(7)、(8)和(9)可以组合成以下表达式：
这表明如果涂层近似于理想绝缘体时，壁面剪切应力τw、传热系数α和温度下降率Λ是成正比关系。
利用测得的Λ值计算(Λ-Λref)值，绘制其沿弦向分布图，即可获得流动转捩特性。因为温降率Λ与壁面剪切应力τw成正比(方程式(10))，而壁面剪切应力是判断转捩特性的常用参数之一，因此(Λ-Λref)值的分布即可直接用作判断转捩特性。其中Λref代表固壁表面无流动(即传热系数α＝0)时的温降率，以此作为基准，可减少干扰效应，如热涂层厚度的变化和不均匀照明，同时保持了温降率和传热系数间的线性关系。当(Λ-Λref)值出现突升时，即代表此处为边界层转捩位置。
同现有技术相比，本发明的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，具有以下特点：
1)方案简单，易于实现：采用温降法，仅采用瞬态光脉冲(例如，由闪光灯或激光产生)加热叶轮机械叶片表面的涂层，使涂层的外表面升温若干摄氏度即可，无需持续加热。
2)通用性好：本发明的边界层转捩测试技术不仅适用于压气机、涡轮静子叶片转捩测试，也适用于转子叶片转捩预测。
3)测试精度高：传热系数直接与壁面剪切应力关联，弱化了热脉冲不均匀性的作用，且大大减少周围叶片的反射影响，从而大大提高测试精度。
附图说明
图1为本发明的表面边界层转捩测试方法在叶轮机械叶片翼型上的应用示意图。
图2为不同雷诺数下基于本发明的温降热成像方法获得的边界层转捩特性示意图。
图3为不同攻角下基于本发明的温降成像方法获得的边界层转捩特性示意图。
图4为本发明与现有其他边界层转捩测试方法的测量转捩精度对比示意图。
附图标记说明：
1-瞬态光脉冲光源，2-高速红外摄像头，3-叶轮机械叶片翼型。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明的表面边界层转捩测试方法在叶轮机械叶片翼型上的应用示意图。本发明的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，在实施时至少包括如下步骤：
首先，在叶轮机械叶片3的外表面涂覆一层具有低导热率和高反射率的涂层；然后，采用瞬态光脉冲光源1(例如，由闪光灯或激光产生)加热叶轮机械叶片3外表面的涂层，待涂层外表面升温若干摄氏度后即关闭瞬态光脉冲光源1；之后，使用高速红外摄像头2检测涂层中每个像素的温度下降情况，利用如下计算式计算每个像素的温度下降率Λ：
其中，为摄像头的帧率，m是图片索引，T′m为当前帧图片的温度，T′m+1为下一帧图片的温度。
利用测得的Λ值计算(Λ-Λref)值，绘制其沿弦向分布图，即可获得流动转捩特性。因为温降率Λ与壁面剪切应力τw成正比(方程式(10))，而壁面剪切应力是判断转捩特性的常用参数之一，因此(Λ-Λref)值的分布即可直接用作判断转捩特性。其中Λref代表固壁表面无流动(即传热系数α＝0)时的温降率，以此作为基准，可减少干扰效应，如热涂层厚度的变化和不均匀照明，同时保持了温降率和传热系数间的线性关系。当(Λ-Λref)值出现突升时，即代表此处为边界层转捩位置。
本发明的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其工作原理为采用理想绝热简化模型建立壁面剪应力与传热系数的关联方程。
具体而言：
叶轮机械叶片外表面的涂层经过激光脉冲加热之后温升(T′＝T-T∞)为：
其中，qpulse、ce和ρe分别表示瞬态光脉冲的能量密度、比热和涂层密度，而h表示瞬态光脉冲的穿透深度。T′代表温升，T代表当前温度，T∞代表来流温度即环境温度，T′0代表加热后的温升初始值。
根据牛顿冷却定律，从受热表面到气流的热通量由下式给出：
其中，α表示传热系数。
因此，理想绝热简化模型的微分方程可以写为：
求解可得：
其中T′(t)表示温升随时间变化。
在理想绝热的情况下，进入流体的热量可以表示为：
α＝ceρehΛ (5)
其中，Λ为温度下降率。
热量激发后，Λ为常数，可由下式确定：
其中，是相机的帧率，m是图片索引，T′m为当前帧图片的温度，T′m+1为下一帧图片的温度，通过对数其级数展开来近似。
对于普朗特数Pr≈1的亚音速气流，雷诺类比因子s大约为常数：
其中，St是斯坦顿数，cf表示流体摩擦系数，流体摩擦系数cf的计算式为
τw为壁面剪切应力，ρ作为流体的密度，U∞作为流体的自由流速度。
传热系数α和斯坦顿数St的关系为
cp为流体的等压比热容。
等式(5)、(7)、(8)和(9)可以组合成以下表达式
这表明如果涂层近似于理想绝缘体时，壁面剪切应力τw、传热系数α和温度下降率Λ是成正比关系。方程(6)用于计算连续热谱图的每个像素并将其与α和τw直接关联。根据定义，Λ与绝对温度水平无关。因此，初始热脉冲的不均匀性并不重要，并且通过使用所提出的分析方法可以大大减少周围叶片的反射，从而大大提高测试精度。
利用测得的Λ值计算(Λ-Λref)相对温降值，绘制其沿弦向分布图，即可获得流动转捩特性。因为温降率Λ与壁面剪切应力τw成正比(方程式(10))，而壁面剪切应力是判断转捩特性的常用参数之一，因此(Λ-Λref)值的分布即可直接用作判断转捩特性。其中Λref代表固壁表面无流动(即传热系数α＝0)时的温降率，以此作为基准，可减少干扰效应，如热涂层厚度的变化和不均匀照明，同时保持了温降率和传热系数间的线性关系。当(Λ-Λref)值出现突升时，即代表此处为边界层转捩位置。
图2、3分别为不同雷诺数下、不同攻角下本发明提出的基于温降成像(Λ-Λref)获得的边界层转捩特性。图4对比了不同边界层转捩测试技术发现，目前普遍认为热膜测试边界层最为准确。因而以此为基准。可以看出，相比于早期边界层光学测试方法(I-I1)，本发明提出的基于温降成像(Λ-Λref)获得的边界层转捩更为精确。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (3)
1.一种基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其特征在于，所述测试方法至少包括如下步骤：
SS1.在叶轮机械叶片外表面涂覆一层具有低导热率和高反射率的涂层；
SS2.采用瞬态光脉冲光源加热叶轮机械叶片外表面的涂层，待涂层外表面升温若干摄氏度但升温幅度不超过10摄氏度后关闭瞬态光脉冲光源；
SS3.使用高速红外摄像头检测每个像素的温度下降情况，利用如下计算式计算每个像素的温度下降率Λ：
其中，为摄像头的帧率，m是图片索引，T′ m为当前帧图片的温度，T′ m+1为下一帧图片的温度；
SS4.利用步骤SS3计算得到每个像素的温度下降率Λ值计算各像素的(Λ-Λref)值，其中Λref代表固壁表面无流动且传热系数α为0时的温降率，绘制(Λ-Λref)值沿叶轮机械叶片翼形弦向的分布图，基于壁面剪切应力τw为转捩特性的判断参数且温降率Λ与壁面剪切应力τw之间满足成正比关系式：
式中，ce和ρe分别表示涂层比热和涂层密度，α表示流体的传热系数，h表示瞬态光脉冲的穿透深度，s表示雷诺类比因子，U∞表示流体的自由流速度，
利用(Λ-Λref)值沿叶轮机械叶片翼形弦向的分布图获得叶轮机械叶片表面边界层的流动转捩特性，该分布图中沿叶片翼形弦向(Λ-Λref)值的突升位置即为转捩位置。
2.根据权利要求1所述的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其特征在于，所述叶轮机械叶片为燃气涡轮发动机压气机静子叶片、涡轮静子叶片、压气机转子叶片或涡轮转子叶片。
3.根据权利要求1所述的基于温降热成像的叶轮机械叶片表面边界层转捩测试方法，其特征在于，步骤SS2中，所述瞬态光脉冲光源为闪光灯或瞬态激光。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于温敏漆的边界层转捩测量技术研究;黄辉等;实验流体力学;第33卷(第2期);第79-84页 * |
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|---|---|
| CN113959728A (zh) | 2022-01-21 |
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