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工科里的流光溢彩——領略航空工業氣動院 流動顯示與測量技術的魅力

工科里的流光溢彩——領略航空工業氣動院 流動顯示與測量技術的魅力

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新聞中心
2019/01/09 08:47
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  航空工業氣動院發展了全套PSP/TSP核心技術,研制的熒光涂層壓力/溫度測量系統廣泛適用于低跨超聲速風洞、高超聲速風洞及葉柵風洞、壓氣機試驗裝置、旋翼試驗裝置等多種試驗應用環境,并且實現了商品化推廣。
 
  今年4月,氣動院流動顯示與測量技術團隊憑借“基于熒光涂料的氣動熱力學測量系統”項目榮獲了集團公司首屆青年創新獎銀獎。流動顯示與測量技術團隊的負責人榮獲集團公司“杰出青年”、沈陽市“優秀科技工作者”稱號,團隊也榮獲了中國航空研究院“優秀團隊”稱號。
 
  那么今天,我們就來詳細了解一下流動顯示與測量技術的奧秘,帶你走進這“流光溢彩”的世界,領略這支精于專研、開拓創新的團隊不一樣的風采!
 
  一、流動顯示
 
  (一)什么是流動顯示
 
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(圖片來源于網絡)
 
  空氣、水等流體的運動中存在著異常多變而復雜的結構,一定條件下流動與光的巧妙結合就把這些迷人的結構展示出來。自然形成的流動顯示無處不在,從人們日常呼吸的空氣,到天空飛行的飛機,再到龍卷風洋流等自然現象,成為人們認識世界的手段。流動顯示充滿藝術的色彩,在航展飛行表演中,彩色煙霧總是伴隨著飛機翻滾的矯健身姿,甚至是廣告宣傳片中也常常用著各式各樣的流動顯示。
 
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  事實上,流動顯示是流體力學研究的重要手段,流體力學及工程應用中的重大突破往往都始于對流動現象的觀測。在一百多年前,雷諾采用染色進行的管流試驗,馬赫改進紋影拍攝技術拍攝了大量激波圖片,普朗特采用粒子示蹤觀測平板流動,打開了對于流動轉捩、超聲速流動和邊界層認識的大門。20世紀60年代以來,湍流逆序結構的發現、脫體渦流型的研究以及分離流型的提出也都是基于大量的流動顯示試驗。
 
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▲雷諾管流試驗
 
  (二)流動顯示的作用是什么
 
  在飛行器研制中,流動顯示一直是風洞試驗的重要內容。流動顯示與測量技術手段多樣,通常分為定性流動顯示和定量光學測量。定性流動顯示通過一定的手段使得流場可視化,獲得空間或模型表面流動的整體圖像,包括油流、升華、絲線、氦氣泡、煙線、片光、紋影、干涉等方法。從這些觀測中可以獲得激波、流動分離、漩渦的位置和特征,這些信息對于氣動性能的分析具有關鍵性的作用,幫助設計師有針對性的診斷和改善設計。氣動院開展流動顯示技術研究已經有幾十年的歷史,具備了齊全的手段,為我國的幾代飛機型號開展過絲線、油流和紋影觀測試驗。
 
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▲熒光油流與絲線顯示
 
  近三十年來,隨著計算機、數字圖像、激光等技術的進步,實現定量的光學測量已成為流動顯示技術發展的趨勢。通過對流動圖像的數值化,可以進一步獲得速度、壓力、溫度等參數的定量信息。這些定量的數據更利于與數值計算結果結合比較,改善仿真與設計結果。目前,氣動院已經在高低速風洞建立了體系完備的非接觸測量試驗技術,形成PIV、PTV、BOS等空間流場測量手段,以及PSP、TSP、紅外、數字油流等表面氣動力參數測量手段。基于團隊在處理軟件、功能涂料、特種光路以及系統集成方面的核心技術,流動顯示與測量技術團隊還為發動機內流、飛行試驗、高超風洞以及汽車、輪機等工業領域開展專項測試及定制測量系統。
 
  二、測量技術
 
  (一)空間流場測量技術
 
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▲高速風洞機翼流場測量
 
  空間速度場是流動的基本信息,通過速度場可以對飛行器的空間漩渦結構、局部分離、結構與流動非定常干擾等氣動進行直觀的分析。粒子圖像測速(PIV)技術利用脈沖激光照射測量區流場中播撒的微小示蹤粒子,并對成像系統記錄的粒子圖像分析后獲得流場中的速度分布。與放置在流場進行單點測量的探針技術相比,PIV具有不干擾流場、分辨率高的特點。氣動院具備了二維/三維/體空間PIV,測量頻率能夠達到5kHz以上。不僅大量的用于航空飛行器的研制,也為汽車、高鐵、傳播的空間速度場進行測量。
 
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▲低速壓氣機流動空間速度場
 
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▲翼型結冰試驗(TR-PIV)
 
  背景紋影技術(BOS)利用光線的偏折來獲得流場中密度變化的信息,如高速流動中激波的波系。可以進行較大視場的流場測量,但是又不需要使用傳統紋影技術中的大量精密的光學儀器,以及對于光學窗口位置的限制,能更好的滿足工程需要。BOS測試方法簡單、測試區域大、對流場無影響等特點,在超聲速流場密度場的測量中有很好的應用前景。近年來,BOS技術已在氣動院各個高速風洞中應用,對高速飛行器、進氣道、尾噴管流動進行測量。
 
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▲超聲速噴流BOS測量
 
  (二)表面參數測量技術
 
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▲FL-3風洞某民機發動機短艙PSP試驗
 
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▲FL-3風洞某民機標模全機PSP試驗
 
  氣動院是國內最早開展PSP/TSP技術研究的機構,近年來開發了多種穩、動態PSP涂料和不同溫度段TSP涂料,完成二十多項軍民用飛行器、航空發動機研制試驗,提供了高分辨率的穩、動態壓力溫度數據。
 
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▲航空發動機葉片壓力PSP測量
 
  溫敏涂料技術(TSP)與PSP技術類似,采用熒光涂層技術測量模型表面的溫度。一方面,利用表面溫度可以監測邊界層的轉捩位置,轉捩位置是判定風洞試驗與真實飛行在氣動上具有一致性的重要保證。另一方面,表面溫度和熱流率等氣動熱數據對于結構熱防護具有重要作用,直接決定了材料的許用特性。
 
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▲高超聲速尖錐表面溫度/轉捩位置TSP測量
 
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▲飛行條件下機翼邊界層轉捩探測
 
  紅外技術成像技術直接測量模型自身在不同波段的紅外輻射,適用范圍通常與TSP技術補充結合應用。目前氣動院紅外技術已廣泛用于模型表面轉捩位置測量,還開展了飛行器紅外隱身特性、高超聲速飛行器氣動熱防護研究以及真實飛行條件下的機翼轉捩位置測量。
 
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▲某型機機翼靜氣彈試驗
 
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▲顫振平尾形變與表面動態載荷隨時間演化歷程
 
  飛行條件下機翼由于氣動載荷產生的變形對于氣動性能有著顯著的影響,而在跨超聲速下發生的氣動結構耦合振動對于飛行安全性有著嚴重的影響。通過光學測量技術可以對風洞試驗過程中由氣動載荷等因素導致的模型位姿和模型變形量進行精確測量,為氣動特性數據修正提供依據,也是靜動氣動彈性試驗中的重要試驗手段。氣動院已經開展了風洞試驗中采用PSP、TSP、紅外與形變測量在內的多種技術進行綜合一體化應用的研究,可同時獲得表面多物理場的數據。
 
  三、團隊風采
 
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▲氣動院流動顯示與測量技術團隊
 
  以定量化非接觸測量為發展方向的流動顯示技術已成為風洞試驗技術的重要發展方向,不僅為軍民飛行器研制提供了傳統手段無法獲得的多參數、精細化的特性參數,也將為新的原理方法、概念布局、流動控制技術的發展提供支撐。近年來,氣動院已形成了核心成員十余人,集科研、試驗、技術服務于一體的流動顯示與測量技術綜合性科研團隊。“十二五”以來團隊承擔和完成各渠道二十多項科研課題,獲得了一批國際前沿水準的研究成果,形成了完備、自主的測量技術與系統,應用于國內各個風洞與試驗裝置。團隊與國內外十多家科研機構和頂尖專家保持著長期的合作,不斷推動技術的發展和應用。如今,他們聚焦未來,將為我國航空事業的跨越發展貢獻更多的力量。
 
作者:衷洪杰
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