一种低温温敏漆转捩测量试验方法技术

本发明专利技术公开了一种低温温敏漆转捩测量试验方法，属于航空航天空气动力学风洞试验及图像数据处理技术领域，包括：准备模型；准备光学测量设备；准备洞体；启动风洞进行试验；完成背景图像、基准图像、有风图像序列采集；采集完成后，根据需要重复采集试验图像或使风洞进入待命状态；根据不同总温点的基准图像，计算得到校准曲线；将有风图像和基准图像扣除背景图像，将有风图像配准到基准图像，将有风图像和基准图像求比，得到比值图像，最后根据校准文件计算得到温度分布图像；判别转捩区域。本发明专利技术为低温温敏漆转捩测量试验提供了规范的试验流程和数据处理方法，根据本发明专利技术提供的方法可得到模型表面的转捩区域，具有很高的试验效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种低温温敏漆转捩测量试验方法


[0001]本专利技术属于航空航天空气动力学风洞试验及图像数据处理
，更具体地说，本专利技术涉及一种低温温敏漆转捩测量试验方法。

技术介绍

[0002]边界层转捩是指边界层流动从层流状态发展到湍流状态的过程，是一个多因素耦合的强非线性复杂流动物理过程。边界层转捩位置对飞行器的摩阻、表面流态及飞行性能有很大的影响，转捩位置的确定是飞行器设计的关键技术之一。气流转捩前层流区热导率小于转捩后湍流区热导率，由于热导率的差异，层流区与湍流区之间会产生温差。假设试验前模型表面温度均匀一致，由于层流区热导率小于湍流区热导率，当模型表面温度高于气流温度，层流区温度高于湍流区温度；当模型表面温度低于气流温度，层流区温度低于湍流区温度。
[0003]温敏漆（Temperature Sensitive Paint, TSP）由面漆和底漆两部分组成。面漆是含温敏探针分子的工作层，喷涂于底漆表面，低温环境使用钌基（工作温度区间为110K~220K）和铕基（工作温度区间为220K~320K）两种探针分子；底漆主要成分为环氧树脂和二氧化钛，喷涂于模型表面，起到提高模型表面粘结性、增强探针分子发光强度及热隔离的作用。探针分子受到一定波长的光激发后，会发射出特定波长的荧光，探针分子的发光量子效率随温度升高而降低，这种与温度相关的效应就是热猝灭，是TSP的主要工作原理。低温温敏漆是指工作温度小于等于230K的温敏漆。
[0004]由基于温度分布的转捩测量原理可知，气流与模型温差越大，层流区与湍流区温度梯度越显著。在暂冲式风洞中，气流总温不可控，试验前一般采用加热模型的方式，提高试验过程中层流区与湍流区的温度梯度。由于连续式的低温风洞在运行过程中无法打开驻室，这种直接加热模型的方式不再适用。本专利技术提供了一种低温风洞转捩测量试验方法，包括试验流程和数据处理方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种低温温敏漆转捩测量试验方法，其使用的温敏漆工作温度小于等于230K，低温温敏漆转捩测量试验方法包括以下步骤：步骤一、准备模型，对模型进行清洁，温敏漆涂料喷涂和固化，对涂料表面进行打磨处理；步骤二、准备光学测量设备；步骤三、准备洞体，对光学测量设备光路上的洞体进行消光处理，完成气体置换；步骤四、启动风洞，采用定总温、变马赫数和模型姿态的方式进行试验；
步骤五、采集试验图像，分别完成背景图像、基准图像、有风图像序列采集；步骤六、采集完成后，如还有未试验的工况，则控制总温、马赫数和模型姿态调整到下一工况，重复步骤五；如需进行数据分析，则风洞进入待命状态，此时风洞压缩机低转速运行，控制总温上升或下降；步骤七、在线校准计算，根据不同总温点的基准图像，计算得到校准曲线；步骤八、温度分布计算，将有风图像和基准图像扣除背景图像，将有风图像配准到基准图像，将有风图像和基准图像求比，得到比值图像，最后根据校准文件计算得到温度分布图像；步骤九、转捩位置分析，根据边界层转捩原理，判别转捩区域。
[0007]优选的是，其中，所述步骤一中，低温温敏漆的底漆选用环氧树脂，面漆探针选用钌基或铕基探针；温敏漆涂料喷涂和固化完成后，对涂料表面进行打磨处理，底漆和面漆喷涂和固化后分别使用砂纸进行打磨；涂料表面粗糙度控制到0.5微米以内，同时使用测厚仪对涂层厚度进行测量，面漆和底漆的涂层总厚度应小于60微米。
[0008]优选的是，其中，所述步骤二中，光学测量设备包括激发光源和CCD相机，激发光源功率按百分比可调，风洞观察窗为双层光学玻璃光窗；设备安装完毕后，确定激发光源和CCD相机的工作参数，具体包括：将激发光源的中心轴线和CCD相机的中心轴线按照10
°
~40
°
的夹角进行布置，激发光源布置于CCD相机后上方，CCD相机视场避开风洞反光区域，使用遮光材料隔绝环境光；设备安装完毕后，确定激发光源功率，设定CCD相机采集周期、曝光时间和光圈参数。
[0009]优选的是，其中，所述步骤三中，采用喷涂亚光漆的方式对激发光源和CCD相机光路上的洞体结构进行消光处理，按照步骤二设置的参数启动激发光源和CCD相机采集图像，对图像进行分析，将模型安装到支撑机构上，关闭风洞，完成气体置换。
[0010]优选的是，其中，所述步骤四中，启动风洞后，首先将风洞降温到最低的总温工况，通过气化液氮的方式进行降温，压缩机采用低转速的方式驱动低温氮气在洞体回路中流动；其中，总温调节通过气化液氮降温和压缩机发热升温进行调节，马赫数调节通过风洞压缩机转速进行控制，模型姿态通过自动支撑机构调整。
[0011]优选的是，其中，所述步骤五中，风洞到达目标总温后，调节压缩机转速，控制风洞运行到目标马赫数，同时模型姿态调整到目标工况，待模型均温后，开始试验图像采集，启动光源和CCD分别完成背景图像I
bkg
、基准图像I
ref
采集，采集完成后控制总温上升或者下降，停止液氮注入实现升温，加大液氮注入实现降温，总温开始上升或者下降后启动激发光源和CCD相机完成有风图像序列I
win(i)
的采集，其中i=1,2,3,
…
,N。
[0012]优选的是，其中，所述步骤五中，背景图像为风洞关闭激发光源采集到的图像，基准图像为模型均温状态下启动激发光源采集到的图像，有风图像为总温开始上升或下降后启动激发光源采集到的图像。
[0013]优选的是，其中，所述步骤七中，计算校准曲线的方法包括：校准区域选择模型的湍流区，根据不同总温点的基准图像I
ref(T)
和参考图像，求比值图像：r
T
= I
ref(T) / I
ref(Tr)
其中，r
T
表示基准图像I
ref(T)
和参考图像I
ref(Tr)
求得的比值图像，人工选取比值图像r
T
中模型测量区域的感兴趣区域，计算该区域所有像素点的平均值Avg
T
，进行二阶多项式
拟合，拟合式如下式所示：T=a
Tr
+ b
Tr
·
Avg
T
+c
Tr
·
（Avg
T
）2由此得到校准曲线，每个参考温度下均可得到一条校准曲线；其中，T表示总温，a
Tr
、b
Tr
和c
Tr
分别表示二阶多项式拟合系数。
[0014]优选的是，其中，所述步骤八中，进行温度分布计算时，首先将有风图像和基准图像扣除背景图像，之后将扣除背景图像的有风图像配准到扣除背景图形的基准图像，然后将扣除背景图像的有风图像和扣除背景图像基准图像求比，得到比值图像r
i
，计算公式为： r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述低温温敏漆的工作温度小于等于230K，低温温敏漆转捩测量试验方法包括以下步骤：步骤一、准备模型，对模型进行清洁，温敏漆涂料喷涂和固化，对涂料表面进行打磨处理；步骤二、准备光学测量设备；步骤三、准备洞体，对光学测量设备光路上的洞体进行消光处理，完成气体置换；步骤四、启动风洞，采用定总温、变马赫数和变模型姿态的方式进行试验；步骤五、采集试验图像，分别完成背景图像、基准图像、有风图像序列采集；步骤六、采集完成后，如还有未试验的工况，则控制总温、马赫数和模型姿态调整到下一工况，重复步骤五；如需进行数据分析，则风洞进入待命状态，此时风洞压缩机低转速运行，控制总温上升或下降；步骤七、在线校准计算，根据不同总温点的基准图像，计算得到校准曲线；步骤八、温度分布计算，将有风图像和基准图像扣除背景图像，将有风图像配准到基准图像，将有风图像和基准图像求比，得到比值图像，最后根据校准文件计算得到温度分布图像；步骤九、转捩位置分析，根据边界层转捩原理，判别转捩区域。2.如权利要求1所述的低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述步骤一中，低温温敏漆的底漆选用环氧树脂，面漆探针选用钌基或铕基探针；温敏漆涂料喷涂和固化完成后，对涂料表面进行打磨处理，底漆和面漆喷涂和固化后分别使用砂纸进行打磨；涂料表面粗糙度控制到0.5微米以内，同时使用测厚仪对涂层厚度进行测量，面漆和底漆的涂层总厚度应小于60微米。3.如权利要求1所述的低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述步骤二中，光学测量设备包括激发光源和CCD相机，激发光源功率按百分比可调，风洞观察窗为双层光学玻璃光窗；设备安装完毕后，确定激发光源和CCD相机的工作参数，具体包括：将激发光源的中心轴线和CCD相机的中心轴线按照10
°
~40
°
的夹角进行布置，激发光源布置于CCD相机后上方，CCD相机视场避开风洞反光区域，使用遮光材料隔绝环境光；设备安装完毕后，确定激发光源功率，设定CCD相机采集周期、曝光时间和光圈参数。4.如权利要求3所述的低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述步骤三中，采用喷涂亚光漆的方式对激发光源和CCD相机光路上的洞体结构进行消光处理，按照步骤二设置的参数启动激发光源和CCD相机采集图像，对图像进行分析，将模型安装到支撑机构上，关闭风洞，完成气体置换。5.如权利要求1所述的低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述步骤四中，启动风洞后，首先将风洞降温到最低的总温工况，通过气化液氮的方式进行降温，压缩机采用低转速的方式驱动低温氮气在洞体回路中流动；其中，总温调节通过气化液氮降温和压缩机发热升温进行调节，马赫数调节通过风洞压缩机转速进行控制，模型姿态通过自动支撑机构调整。6.如权利要求1所述的低温温敏漆转捩测量试验方法，其特征在于，所述步骤五中，风洞到达目标总温后，调节压缩机转速，控制风洞运行到目标马赫数，同时模型姿态调整到目标工况，待模型均温后，开始试验图像采集，启动光源和CCD分别完成背景图像I
bkg
、基准图
像I
ref
采集，采集完成后控制总温上升或者下降，停止液氮注入实现升温，加大液氮注入实现降温，总温开始上升或者下降后启动激发光源和CCD相机完成有风图像序列I
win(i)
的采集，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉，熊健，王红彪，李国帅，刘祥，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：