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工科里的流光溢彩——领略航空工业气动院 流动显示与测量技术的魅力

工科里的流光溢彩——领略航空工业气动院 流动显示与测量技术的魅力

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2019/01/09 08:47
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  航空工业气动院发展了全套PSP/TSP核心技术,研制的荧光涂层压力/温度测量系统广泛适用于低跨超声速风洞、高超声速风洞及叶栅风洞、压气机试验装置、旋翼试验装置等多种试验应用环境,并且实现了商品化推广。
 
  今年4月,气动院流动显示与测量技术团队凭借“基于荧光涂料的气动热力学测量系统”项目荣获了集团公司首届青年创新奖银奖。流动显示与测量技术团队的负责人荣获集团公司“杰出青年”、沈阳市“优秀科技工作者”称号,团队也荣获了中国航空研究院“优秀团队”称号。
 
  那么今天,我们就来详细了解一下流动显示与测量技术的奥秘,带你走进这“流光溢彩”的世界,领略这支精于专研、开拓创新的团队不一样的风采!
 
  一、流动显示
 
  (一)什么是流动显示
 
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(图片来源于网络)
 
  空气、水等流体的运动中存在着异常多变而复杂的结构,一定条件下流动与光的巧妙结合就把这些迷人的结构展示出来。自然形成的流动显示无处不在,从人们日常呼吸的空气,到天空飞行的飞机,再到龙卷风洋流等自然现象,成为人们认识世界的手段。流动显示充满艺术的色彩,在航展飞行表演中,彩色烟雾总是伴随着飞机翻滚的矫健身姿,甚至是广告宣传片中也常常用着各式各样的流动显示。
 
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  事实上,流动显示是流体力学研究的重要手段,流体力学及工程应用中的重大突破往往都始于对流动现象的观测。在一百多年前,雷诺采用染色进行的管流试验,马赫改进纹影拍摄技术拍摄了大量激波图片,普朗特采用粒子示踪观测平板流动,打开了对于流动转捩、超声速流动和边界层认识的大门。20世纪60年代以来,湍流逆序结构的发现、脱体涡流型的研究以及分离流型的提出也都是基于大量的流动显示试验。
 
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▲雷诺管流试验
 
  (二)流动显示的作用是什么
 
  在飞行器研制中,流动显示一直是风洞试验的重要内容。流动显示与测量技术手段多样,通常分为定性流动显示和定量光学测量。定性流动显示通过一定的手段使得流场可视化,获得空间或模型表面流动的整体图像,包括油流、升华、丝线、氦气泡、烟线、片光、纹影、干涉等方法。从这些观测中可以获得激波、流动分离、漩涡的位置和特征,这些信息对于气动性能的分析具有关键性的作用,帮助设计师有针对性的诊断和改善设计。气动院开展流动显示技术研究已经有几十年的历史,具备了齐全的手段,为我国的几代飞机型号开展过丝线、油流和纹影观测试验。
 
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▲荧光油流与丝线显示
 
  近三十年来,随着计算机、数字图像、激光等技术的进步,实现定量的光学测量已成为流动显示技术发展的趋势。通过对流动图像的数值化,可以进一步获得速度、压力、温度等参数的定量信息。这些定量的数据更利于与数值计算结果结合比较,改善仿真与设计结果。目前,气动院已经在高低速风洞建立了体系完备的非接触测量试验技术,形成PIV、PTV、BOS等空间流场测量手段,以及PSP、TSP、红外、数字油流等表面气动力参数测量手段。基于团队在处理软件、功能涂料、特种光路以及系统集成方面的核心技术,流动显示与测量技术团队还为发动机内流、飞行试验、高超风洞以及汽车、轮机等工业领域开展专项测试及定制测量系统。
 
  二、测量技术
 
  (一)空间流场测量技术
 
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▲高速风洞机翼流场测量
 
  空间速度场是流动的基本信息,通过速度场可以对飞行器的空间漩涡结构、局部分离、结构与流动非定常干扰等气动进行直观的分析。粒子图像测速(PIV)技术利用脉冲激光照射测量区流场中播撒的微小示踪粒子,并对成像系统记录的粒子图像分析后获得流场中的速度分布。与放置在流场进行单点测量的探针技术相比,PIV具有不干扰流场、分辨率高的特点。气动院具备了二维/三维/体空间PIV,测量频率能够达到5kHz以上。不仅大量的用于航空飞行器的研制,也为汽车、高铁、传播的空间速度场进行测量。
 
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▲低速压气机流动空间速度场
 
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▲翼型结冰试验(TR-PIV)
 
  背景纹影技术(BOS)利用光线的偏折来获得流场中密度变化的信息,如高速流动中激波的波系。可以进行较大视场的流场测量,但是又不需要使用传统纹影技术中的大量精密的光学仪器,以及对于光学窗口位置的限制,能更好的满足工程需要。BOS测试方法简单、测试区域大、对流场无影响等特点,在超声速流场密度场的测量中有很好的应用前景。近年来,BOS技术已在气动院各个高速风洞中应用,对高速飞行器、进气道、尾喷管流动进行测量。
 
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▲超声速喷流BOS测量
 
  (二)表面参数测量技术
 
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▲FL-3风洞某民机发动机短舱PSP试验
 
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▲FL-3风洞某民机标模全机PSP试验
 
  气动院是国内最早开展PSP/TSP技术研究的机构,近年来开发了多种稳、动态PSP涂料和不同温度段TSP涂料,完成二十多项军民用飞行器、航空发动机研制试验,提供了高分辨率的稳、动态压力温度数据。
 
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▲航空发动机叶片压力PSP测量
 
  温敏涂料技术(TSP)与PSP技术类似,采用荧光涂层技术测量模型表面的温度。一方面,利用表面温度可以监测边界层的转捩位置,转捩位置是判定风洞试验与真实飞行在气动上具有一致性的重要保证。另一方面,表面温度和热流率等气动热数据对于结构热防护具有重要作用,直接决定了材料的许用特性。
 
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▲高超声速尖锥表面温度/转捩位置TSP测量
 
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▲飞行条件下机翼边界层转捩探测
 
  红外技术成像技术直接测量模型自身在不同波段的红外辐射,适用范围通常与TSP技术补充结合应用。目前气动院红外技术已广泛用于模型表面转捩位置测量,还开展了飞行器红外隐身特性、高超声速飞行器气动热防护研究以及真实飞行条件下的机翼转捩位置测量。
 
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▲某型机机翼静气弹试验
 
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▲颤振平尾形变与表面动态载荷随时间演化历程
 
  飞行条件下机翼由于气动载荷产生的变形对于气动性能有着显著的影响,而在跨超声速下发生的气动结构耦合振动对于飞行安全性有着严重的影响。通过光学测量技术可以对风洞试验过程中由气动载荷等因素导致的模型位姿和模型变形量进行精确测量,为气动特性数据修正提供依据,也是静动气动弹性试验中的重要试验手段。气动院已经开展了风洞试验中采用PSP、TSP、红外与形变测量在内的多种技术进行综合一体化应用的研究,可同时获得表面多物理场的数据。
 
  三、团队风采
 
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▲气动院流动显示与测量技术团队
 
  以定量化非接触测量为发展方向的流动显示技术已成为风洞试验技术的重要发展方向,不仅为军民飞行器研制提供了传统手段无法获得的多参数、精细化的特性参数,也将为新的原理方法、概念布局、流动控制技术的发展提供支撑。近年来,气动院已形成了核心成员十余人,集科研、试验、技术服务于一体的流动显示与测量技术综合性科研团队。“十二五”以来团队承担和完成各渠道二十多项科研课题,获得了一批国际前沿水准的研究成果,形成了完备、自主的测量技术与系统,应用于国内各个风洞与试验装置。团队与国内外十多家科研机构和顶尖专家保持着长期的合作,不断推动技术的发展和应用。如今,他们聚焦未来,将为我国航空事业的跨越发展贡献更多的力量。
 
作者:衷洪杰