CN106644364B - 基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，包括以下内容：A)在有激波和无激波的情况下，冷却气体和主流气体都采用空气，采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，得到由于激波作用，此时该区域本身压力升高造成氧分压升高的量；B)在有激波和无激波的情况下，冷却气体采用氮气，主流气体采用空气，采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，获得此时该区域氧分压升高的量；C)将所述步骤B)得到的氧分压升高的量去掉所述步骤A)获得的氧分压升高的量，得到在激波作用下，主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量。本发明可以定量分析激波对于主流和冷却流的掺混增强程度。

Description

基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量激波作用下超声速气膜冷却主流和冷却流相互混合增强作用的方法，特别是关于一种在高温超声速气流中存在激波入射的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法。

背景技术

气膜冷却的基本原理是指沿壁面切线方向或以一定的入射角射入冷却气体，形成一层贴近受保护壁面的缓冲冷却气膜，用以将壁面与高温气体环境隔离，从而对壁面进行有效地热防护和化学防护。目前已成为很多场合高温部件的冷却措施，如高温透平叶片、燃烧室等。自上世纪70年代气膜冷却被作为航空燃气轮机的一种冷却方法使用以来，关于气膜冷却的研究报告一直层出不穷，然而已有的研究主要侧重于亚声速气膜冷却，对超声速气膜冷却的研究相对欠缺。

超声速气膜冷却与亚声速情况下的气膜冷却存在差别，原因主要在于一方面超声速情况下气体可压缩的影响表现得更加明显；另一方面在超声速流场中，常常伴随着激波的出现，激波入射气膜边界层往往对超声速气膜冷却造成影响。研究激波作用对冷却效果的影响成为超声速气膜冷却研究中一个不可缺少的组成部分。激波破坏超声速气膜冷却的机理主要在于：一方面激波入射使壁面处压力升高，从而导致冷却气体边界层流体马赫数降低，绝热壁面温度升高；另一方面在强激波入射或者冷却气体为分子量轻的气体时，激波的入射能很明显地增强主流和冷却流的混合，从而也导致冷却效率下降。其中，第一方面的原因可以通过实验测量壁面处压力和速度场分布得到，并且已被很多学者证实；然而第二方面的原因目前主要通过数值模拟分析得到，实验中不容易观测得到，并且缺乏非接触的全场测量数据。

综上，上述的激波作用的第二方面机理在其破坏超声速气膜冷却的作用中到底扮演多大的份量，迫切需要通过实验测量得到的是在激波的作用下冷却气体和主流气体掺混有没有得到加强以及增强的份额有多大，因此需要测量壁面处气体浓度的分布。但是，如果采用取样测量等方法，对于超声速流场而言，即便是微细的测量管的引入也将不可避免地引起流场的变化尤其是将产生新的激波，从而将对原有的流场造成影响，其次取样测量只能测量局部几个点的数据，无法做到全场测量。因而亟需研究出非接触式的测量方法对激波作用下的壁面处的气体浓度分布进行测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够通过非接触式测量方法对激波作用下的壁面处的气体浓度分布进行测量的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，包括以下内容：A)在有激波和无激波的情况下，冷却气体和主流气体都采用空气，采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，得到由于激波作用，此时该区域本身压力升高造成氧分压升高的量；B)在有激波和无激波的情况下，冷却气体采用氮气，主流气体采用空气，采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，获得此时该区域氧分压升高的量；C)将所述步骤B)得到的氧分压升高的量去掉所述步骤A)获得的氧分压升高的量，得到在激波作用下，主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量。

进一步地，通过一试验装置进行实验获得主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量，具体实验过程为：1)试验装置包括待测试高温部件，待测试高温部件从上到下依次设置有主流通道和超声速气膜冷却流通道和受保护壁面，超声速气膜冷却流通道内设置有冷却流喷嘴，超声速气膜冷却流通道通过管路并联连接位于待测试高温部件外侧的空气气源和氮气气源，位于待测试高温部件的正上方固定设置有用于进行数据采集的相机；2)将受保护壁面喷涂压力敏感漆；3)分别开展两组对比实验：①主流气体和冷却气体均为空气的实验：a、在与受保护壁面相对的待测试高温部件的另一壁面安装激波发生器，打开空气气源，关闭氮气气源，空气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；b、拆卸掉激波发生器，打开空气气源，关闭氮气气源，空气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时通过相机拍摄无激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；②主流为空气，冷却流为氮气的实验：a、在与受保护壁面相对的待测试高温部件的另一壁面安装激波发生器，关闭空气气源，打开氮气气源，氮气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；b、拆卸掉激波发生器，关闭空气气源，打开氮气气源，氮气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄无激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

4)对得到的两组实验数据进行比对和分析，获得：激波作用下由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的数据；以及激波作用下由于流体压力本身变化以及流体混合增强双重作用下的氧气分压力变化的数据；5)通过比对上述两组数据，去掉由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的影响后，得到由于主流气体和冷却流气体的掺混增强导致壁面处氧气分压力变化的数据。

进一步地，所述实验数据为受保护壁面压力敏感漆的光强数据，实验前通过一组标定实验得到的光强和压力值的关系曲线，从而得出受保护壁面处的氧气压力变化的数据。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明可以通过非接触式测量方法对激波作用下的超声速气膜冷却进行实验研究，并且可以方便的实现对于全场的测量，获得激波作用下冷热流体混合增强的作用机理，从而可以定量分析激波对于主流和冷却流的掺混增强作用的程度有多大，激波破坏气膜冷却效率的第二个机理扮演的份额。

附图说明

图1为本发明具体实施例中试验装置结构示意图；

图2是图1的部分放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

压力敏感漆技术是上世纪90年代发展起来的一种基于气体分压影响光敏感漆对特定入射光反射强度的技术，通过实验表明可以用于测量气膜冷却效果分布。在压力敏感漆技术的测量中，一般冷却气体采用氮气，主流气体采用空气，在气膜冷却保护区域，冷却效果与保护气体中氮气占的比例有关，反过来即与气膜冷却保护区域各位置的空气含量有关。实验表明光敏感漆可以反映出各点氧分压的大小，即空气含量的多少，从而能够得到气膜冷却效率的分布。

在低速情况下开展试验，一般试验表面的压力分布比较均匀，相差不大，因而可以通过光敏感漆反映出的氧分压大小来等效于质量浓度的分布。但是对于超声速气膜冷却流场而言，在激波作用下，激波作用区域的压力相对没有激波作用的时候会有较大幅度的升高。因而在激波作用情况下，采用压力敏感漆技术测量超声速气膜冷却中壁面处的氧分压时，此时的氧分压由两部分构成：

1、由于激波的作用，该区域本身的压力升高造成氧分压的升高；

2、由于主流和冷却流的掺混导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压的升高。

本发明侧重由于第2个原因(由于主流和冷却流的掺混导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压的升高)引起氧分压升高的量，从而得到激波对主流和冷却流的掺混增强程度有多大，所以需要摒弃掉第1个原因造成的氧分压升高的量，本发明的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，具体实现过程为：

1、在有激波和无激波的情况下，冷却气体和主流气体都采用空气，采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，得到由于激波的作用，此时该区域本身的压力升高造成氧分压升高的量。

由于主流气体和冷却气体都是空气，氧气在各个地方分布的浓度都相同，因而试验测量后，对比有激波和无激波作用的时候，壁面的氧气分压的变化就得到由于第1个原因对于壁面氧气分压的影响。

2、在有激波和无激波的情况下，冷却气体采用氮气，主流气体采用空气，此时采用压力敏感漆技术测量壁面氧分压的分布，获得此时该区域氧分压升高的量。此时得到的氧分压升高的量是由于第1个原因和第2个原因同时作用造成的。

3、将步骤2得到的氧分压升高的量去掉步骤1获得的氧分压升高的量，得到在激波作用下，主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量。由于通过第1组试验已经获得了第1个原因的影响规律，因而去掉第1个原因的影响后，就可以得到主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压的升高的量，从而得到激波对主流气体和冷却气体的掺混增强程度有多大。

下面结合具体实施例详细说明本发明基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，具体过程为：

如图1、图2所示，本发明实施例设置一基于压力敏感漆测量的试验装置，包括一待测试高温部件1，待测试高温部件1从上到下依次设置有主流通道3和超声速气膜冷却流通道4和受保护壁面2，超声速气膜冷却流通道4内设置有冷却流喷嘴5，超声速气膜冷却通道4通过管路并联连接位于待测试高温部件1外侧的空气气源6和氮气气源7，位于待测试高温部件1的正上方固定设置有用于进行数据采集的相机8，用于对待测试高温部件1内的实验数据进行采集。

超声速流场中，正常情况下，当高温主流9流入主流通道3后，通过超声速气膜冷却流通道4引入冷却流体经冷却流喷嘴5喷入冷却气体对受保护壁面2进行热保护；高温主流9流体遇到激波发生器后，将诱发产生一道激波，激波将横贯流场最终作用在受保护壁面2附近的冷却气体边界层，进而对超声速气膜冷却造成影响。

基于上述试验装置，本发明的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法的实现过程为：

1)将受保护壁面2喷涂上压力敏感漆10；

2)分别开展两组对比实验：

①主流气体和冷却气体均为空气的实验：

a、在与受保护壁面2相对的待测试高温部件1的另一壁面安装激波发生器11，打开空气气源6，关闭氮气气源7，空气经超声速气膜冷却流通道4和喷嘴5喷入主流通道3内，对受保护壁面2进行保护，此时相机8拍摄激波作用下受保护壁面2上压力敏感漆的实验数据，其中，实验数据为受保护壁面压力敏感漆的光强数据，实验前通过一组标定实验得到的光强和压力值的关系曲线，从而可以得出受保护壁面处的氧气分压分布数据；

b、拆卸掉激波发生器11，打开空气气源6，关闭氮气气源7，空气经超声速气膜冷却流通道4和喷嘴5喷入主流通道3内，对受保护壁面2进行保护，此时通过相机8拍摄无激波作用下受保护壁面2上压力敏感漆的实验数据；

②主流气体为空气，冷却气体为氮气的实验：

a、在与受保护壁面2相对的待测试高温部件1的另一壁面安装激波发生器11，关闭空气气源6，打开氮气气源7，氮气经超声速气膜冷却流通道4和喷嘴5喷入主流通道3内，对受保护壁面2进行保护，此时相机8拍摄激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

b、拆卸掉激波发生器11，关闭空气气源6，打开氮气气源7，氮气经超声速气膜冷却流通道4和喷嘴5喷入主流通道3内，对受保护壁面进行保护，此时相机8拍摄无激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

3)对上述得到的两组实验数据进行比对和分析，可以获得：

激波作用下由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的数据；

激波作用下由于流体压力本身变化以及流体混合增强双重作用下的氧气分压力变化的数据。

4)通过比对上述两组数据，去掉由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的影响后，就可以得到在激波作用下，由于主流气体和冷却气体的掺混增强导致壁面处氧气分压力变化的数据，从而得到激波对主流和冷却流的掺混增强程度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，其特征在于包括以下内容：

A)在有激波和无激波的情况下，冷却气体和主流气体都采用空气，采用压力敏感漆技术测量待测试高温部件的受保护壁面氧分压的分布，经过对比和分析得到由于激波作用时所述待测试高温部件的受保护壁面本身压力升高造成氧分压升高的量；

B)在有激波和无激波的情况下，冷却气体采用氮气，主流气体采用空气，采用压力敏感漆技术测量所述待测试高温部件的受保护壁面氧分压的分布，经过对比和分析得到由于激波作用时所述待测试高温部件的受保护壁面由于流体压力本身变化以及流体混合增强双重作用造成氧分压升高的量；

C)将所述步骤B)得到的氧分压升高的量去掉所述步骤A)获得的氧分压升高的量，得到在激波作用下，主流气体和冷却气体的掺混增强导致所述待测试高温部件的受保护壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量。

2.如权利要求1所述的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，其特征在于，通过一试验装置进行实验获得主流气体和冷却气体的掺混增强导致受保护壁面处氧气浓度升高从而引起氧分压升高的量，具体实验过程为：

1)试验装置包括待测试高温部件，待测试高温部件从上到下依次设置有主流通道和超声速气膜冷却流通道和受保护壁面，超声速气膜冷却流通道内设置有冷却流喷嘴，超声速气膜冷却流通道通过管路并联连接位于待测试高温部件外侧的空气气源和氮气气源，位于待测试高温部件的正上方固定设置有用于进行数据采集的相机；

2)将受保护壁面喷涂压力敏感漆；

3)分别开展两组对比实验：

①主流气体和冷却气体均为空气的实验：

a、在与受保护壁面相对的待测试高温部件的另一壁面安装激波发生器，打开空气气源，关闭氮气气源，空气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

b、拆卸掉激波发生器，打开空气气源，关闭氮气气源，空气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时通过相机拍摄无激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

②主流气体为空气，冷却气体为氮气的实验：

a、在与受保护壁面相对的待测试高温部件的另一壁面安装激波发生器，关闭空气气源，打开氮气气源，氮气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

b、拆卸掉激波发生器，关闭空气气源，打开氮气气源，氮气经超声速气膜冷却流通道和喷嘴喷入主流通道内，对受保护壁面进行保护，此时相机拍摄无激波作用下受保护壁面上压力敏感漆的实验数据；

4)对步骤①得到的两组实验数据进行比对和分析，获得：激波作用下由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的数据；以及对步骤②得到的两组实验数据进行比对和分析，获得：激波作用下由于流体压力本身变化以及流体混合增强双重作用下的氧气分压力变化的数据；

5)通过比对步骤4)得到的两组氧气分压力变化的数据，去掉由于流体压力本身变化导致的氧气分压力变化的影响后，得到由于主流气体和冷却气体的掺混增强导致受保护壁面处氧气分压力变化的数据。

3.如权利要求2所述的基于压力敏感漆测量激波增强超声速气膜流体混合的方法，其特征在于，所述实验数据为受保护壁面压力敏感漆的光强数据，实验前通过一组标定实验得到光强和压力值的关系曲线，从而得出受保护壁面处的氧气压力变化的数据。