CN108318214A - 一种金属模型表面流态快速测量方法 - Google Patents

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纪锋
沙心国
张婷婷
文帅
汤继斌
罗金玲
沈清
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    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing

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Abstract

本发明公开了一种金属模型表面流态快速测量方法，本发明在风洞试验中采用红外热像仪实时测量模型表面温度变化，通过模型表面温度的变化获得模型表面流态信息，实现了基于红外热图技术进行金属模型表面流态信息获取的目的，解决了在高超声速风洞试验中对模型表面流态快速测量的问题。

Description

一种金属模型表面流态快速测量方法
技术领域
本发明涉及一种金属模型表面流态快速测量方法，属于风洞试验测量领域。
背景技术
在高超声速风洞中，常常采用温敏涂层或红外热图技术等非接触测量方法进行模型表面温度的测量，进而获得模型表面的流态信息，其中温敏涂层方法试验准备时间和数据处理周期长，需要额外的光源，一次喷涂只能进行几次风洞试验，风洞试验过程要求严格；而常规红外热图技术采用非金属模型，一次风洞试验只能获得一个姿态角下的表面流态信息，以上方法无法在一次高超声速风洞试验中快速获得多姿态角下的模型表面流态信息。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种金属模型表面流态快速测量方法，通过对金属模型表面处理提高金属模型的表面发射率，通过风洞试验过程控制，实现在一次风洞试验中多个姿态角下模型表面流态信息的测量。
本发明的技术解决方案是：
一种金属模型表面流态快速测量方法，具体步骤如下：
(1)对金属模型表面进行处理，对模型表面喷黑色哑光漆或表面发黑处理；
(2)在高超声速风洞稳定流场建立前，金属模型置于风洞试验段中的流场外，模型表面温度均匀一致，红外热像仪置于风洞试验段外，待高超声速风洞稳定流场建立后，将模型快速插入稳定流场中，红外热像仪镜头透过红外观察窗正对置于流场中的金属模型；
(3)红外热像仪按照一定频率实时记录每个姿态角下金属模型表面温度信息，红外热像仪的采集频率F≥10f，其中f＝1/t，t为金属模型在一个姿态角下的稳定时间，t≥10△t，其中△t为金属模型由一个姿态角变化到另一个姿态角的时间；
(4)通过金属模型表面温度信息分析判断模型表面的流态，流态包括边界层流动状态、分离流动状态和干扰区流动状态。
红外热像仪的温度测量精度小于0.1K。
风洞试验中模型快速插入流场的时间小于1s。
步骤4中，基于对高超声速空气动力学的认识，并结合金属模型的结构表面结构特征，由金属模型表面温度信息判断模型表面的流态。
红外热像仪的采集频率为80Hz，测量温度区间为30-150℃。
姿态角变化顺序为0度、3度、5度和7度，每个姿态角下的稳定时间为1s。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在风洞试验中采用红外热像仪实时测量模型表面温度变化，通过模型表面温度的变化获得模型表面流态信息，实现了基于红外热图技术进行金属模型表面流态信息获取的目的，解决了在高超声速风洞试验中对模型表面流态快速测量的问题；
(2)现有温敏涂层方法是基于对模型表面温敏涂层的特性进行测量，多次吹风试验后涂层会存在脱落现象影响测量精度；本方法对金属模型本身进行测量，对其表面处理要求较低，可以采用金属模型，可以满足多次风洞试验测量的目的，无需反复进行表面处理；
(3)本发明对模型表面处理的方法不唯一，既可采用喷涂黑漆的方法，也可采用表面发黑处理的方法。
附图说明
图1为本发明风洞试验布置示意图；
图2为本发明模型姿态角变化历程示意图；
图3为本发明风洞试验流程图；
图4为本发明模型背风面温度分布云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
一种金属模型表面流态快速测量方法，如图3所示，首先对进行模型进行表面处理，将经过表面处理的模型安装在风洞试验段内，如图1所示，红外热像仪通过风洞试验段上的红外观察窗测量模型表面温度，通过计算机控制红外热像仪。调整模型位置，将模型移至流场中心位置，开启红外热像仪，调整红外热像仪的视场和焦距，使红外热像仪能够清晰地测量模型表面温度。然后将模型移出风洞试验流场区域，保证风洞流场建立过程中模型不受试验气流的加热作用。
待风洞流场建立后，红外热像仪开始测量，将模型以初始姿态角快速插入流场中心，在初始姿态角1状态稳定t秒时间，然后将模型快速调整为姿态角2，并稳定t秒时间……，以此类推，模型在姿态角n稳定t秒时间后，将模型移出流场区域，如图2所示，并停止红外热像仪的实时记录。最后通过金属模型表面温度信息分析判断模型表面的流态，流态包括边界层流动状态、分离流动状态、干扰区流动状态,基于对高超声速空气动力学的认识，并结合金属模型的结构表面结构特征，由金属模型表面温度信息判断模型表面的流态。
红外热像仪的温度测量精度小于0.1K,风洞试验中模型快速插入流场的时间小于1s。
该方法在常规高超声速风洞中经过了试验验证，风洞试验来流马赫数7，试验气体为空气，试验模型为圆锥模型，模型材料为45#钢，依次采用表面发黑和表面喷涂黑漆的方法进行金属模型表面处理，其中两种表面处理方法均经过了试验验证，试验结果基本一致。
红外热像仪的采集频率为80Hz，测量温度区间为30-150℃。攻角变化顺序为0度、3度、5度和7度，每个攻角下的稳定时间为1s。在一次试验中获得了四个攻角下圆锥模型背风面的边界层转捩形状和位置，如图4所示，在常规的试验中需要四次试验才能获得的模型表面流态信息，采用此方法只需一次试验即可获得，效率提高了近4倍。
本方法采用红外热像仪实时测量模型表面温度变化，无需外置光源；在高超声速风洞试验中通过改变模型姿态角，可以实现在一次风洞试验中获得多个姿态角下模型表面流态信息的目的；
本发明是基于物体红外热辐射的原理，在高超声速风洞试验中采用红外热像仪实时测量模型表面温度，通过模型表面温度变化获得模型表面流态信息。这种方法操作简单，数据处理周期短，是在高超声速风洞中可以使用的一种金属模型表面流态快速测量方法。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种金属模型表面流态快速测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对金属模型表面进行处理，对模型表面喷黑色哑光漆或表面发黑处理；
(2)在高超声速风洞稳定流场建立前，金属模型置于风洞试验段中的流场外，模型表面温度均匀一致，红外热像仪置于风洞试验段外，待高超声速风洞稳定流场建立后，将模型快速插入稳定流场中，红外热像仪镜头透过红外观察窗正对置于流场中的金属模型；
(3)红外热像仪按照一定频率实时记录每个姿态角下金属模型表面温度信息，红外热像仪的采集频率F≥10f，其中f＝1/t，t为金属模型在一个姿态角下的稳定时间，t≥10△t，其中△t为金属模型由一个姿态角变化到另一个姿态角的时间；
(4)通过金属模型表面温度信息分析判断模型表面的流态，流态包括边界层流动状态、分离流动状态和干扰区流动状态。
2.如权利要求1所述的一种金属模型表面流态快速测量方法,其特征在于，红外热像仪的温度测量精度小于0.1K。
3.如权利要求1所述的一种金属模型表面流态快速测量方法,其特征在于，风洞试验中模型快速插入流场的时间小于1s。
4.如权利要求1所述的一种金属模型表面流态快速测量方法,其特征在于，步骤4中，基于对高超声速空气动力学的认识，并结合金属模型的结构表面结构特征，由金属模型表面温度信息判断模型表面的流态。
5.如权利要求1所述的一种金属模型表面流态快速测量方法,其特征在于，红外热像仪的采集频率为80Hz，测量温度区间为30-150℃。
6.如权利要求5所述的一种金属模型表面流态快速测量方法,其特征在于，姿态角变化顺序为0度、3度、5度和7度，每个姿态角下的稳定时间为1s。
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