CN109489934A - 基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法 - Google Patents

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本发明公开了一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，属于空气动力学实验技术领域，具体方法为：1）将需要测量摩擦力场的流道壁面设计为可拆卸的透明玻璃壁面，并进行喷砂处理，使其内表面的粗糙度与实际流道一致；2）将位于待测壁面对面位置的流道内壁面进行黑色处理；3）在流道的玻璃内壁面喷涂SSLC涂层，开启风洞，建立流场，从流道外侧提供照射光线并采用相机观测SSLC涂层颜色，对SSLC涂层在不同方向显示的颜色进行分析处理，解算流道内壁面的摩擦力场。本方法将SSLC涂层技术推广用于管道流的壁面摩擦力场的测量，以一种非接触方式测量流道内壁面的摩擦力场，为研究管道内部流动的机理提供了一种新的技术途径。

Description

基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法
技术领域
本发明属于空气动力学实验技术领域，涉及流道内壁面摩擦力场的测量方法，具体是指一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法。
背景技术
流体与固体壁面之间的摩擦阻力是流体动力学领域的一个重要参数，许多重要信息可以通过测量壁面摩擦阻力的矢量场而获取。流过飞行器表面的气流产生的摩擦阻力会显著影响飞行器的性能。管道内部气流产生的摩擦阻力，比如吸气式发动机压缩空气产生的摩擦阻力，会对发动机的推阻性能产生重要影响。准确测量流道的内壁面摩擦力无论是在理论研究中还是工程实际中都有重要的意义。Reda等提出了一种应用剪切敏感液晶（shear-sensitive liquid crystal, SSLC）涂层测量壁面摩擦力场的方法（AIAAJournal, 1997, 35(4): 608-614）。
这种方法将SSLC喷涂到待测表面上（厚度约为10 um）；当受到摩擦力时，SSLC涂层在不同方向显示不同的颜色；通过对SSLC涂层在不同方向显示的颜色进行分析处理（采用Reda提出的多视角方法），可以解算出待测表面的摩擦力的大小和方向，从而得到整个表面的摩擦力矢量场。这种方法以非接触方式测量壁面摩擦力矢量场，具有很高的空间分辨率（像素级别）和时间分辨率（1 kHz以上）。但是，这种方法需要从不同方向观测SSLC涂层的颜色变化，目前只能用于测量外部流动的摩擦力场，不能测量管道内部流动的壁面摩擦力场。这是因为管道内部的空间有限，不允许从多个方向观测SSLC涂层的颜色变化。更重要的是，将相机或者镜头等观测设备置于流道内会给流动带来显著的干扰。
为了解决遮挡问题，Reda等验证了透过透明壁面应用SSLC涂层定性显示壁面摩擦力的可行性（AIAA Journal, 2001, 39(1): 195-197）。这一研究成果为本专利应用SSLC涂层定量测量流道内壁面摩擦力场提供了技术基础。
发明内容
本发明针对目前的SSLC涂层技术用于测量流道内壁面的摩擦力场存在的问题，提出一种透过透明玻璃壁面测量流道内壁面的摩擦力矢量场的方法。本发明通过将需要测量摩擦力的流道壁面设计为可拆卸的透明的玻璃壁面，在流道内壁面喷涂SSLC涂层，从流道外侧透过透明玻璃壁面对SSLC涂层进行照射和观测，从而实现了间接测量流道内壁面的摩擦力矢量场，解决了应用SSLC涂层测量流道内壁面摩擦力面临的观测受限和对流动带来干扰的问题。
本发明是这样实现的：
本发明公开的一种基于SSLC涂层的流道内壁面摩擦力矢量场测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：待测量摩擦力场的流道壁面分为流道上壁面，流道下壁面和流道侧壁面；将需要测量摩擦力场的流道上壁面设计为可拆卸的透明玻璃壁面，并对透明玻璃壁面进行喷砂处理，即喷涂透明玻璃砂，使其内表面的粗糙度与实际流道一致，以减小由于粗糙度差异对壁面摩擦力的影响；本发明中的需要测量摩擦力场的流道壁面不限于流道上壁面，对于流道的其它壁面，测量方法同样适用。需要测量流道壁面摩擦力场时，只要将待测的流道壁面设计为透明玻璃壁面，相对的壁面进行黑色处理，然后应用本发明的方法即可。
步骤二：将位于需要测量摩擦力的透明玻璃壁面对面位置的流道壁面进行黑色处理，形成一层黑色涂层，具体可通过喷涂亲水黑色颜料、贴黑色壁纸或者进行黑色电镀等方式实现，以减小观测SSLC涂层颜色时的背景颜色的干扰；
步骤三：在流道的透明玻璃壁面的内侧表面喷涂SSLC涂层，所述SSLC涂层与前述黑色涂层在气流两侧相对应，且位置相对；
步骤四：将点光源置于流道外侧，使其从玻璃壁面的法线方向透过透明玻璃壁面为SSLC涂层提供照射光线，将多台相机分别置于流道外侧的不同位置，使其以相同的俯视角透过透明玻璃壁面从不同方向观测SSLC涂层的颜色，采用无线快门控制器控制相机同步拍照，所述的相机数量至少为五台；
步骤五：开启风洞，建立流场，采用多台相机从不同方向同时采集SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色，应用Reda提出的多视角方法对不同方向采集的SSLC涂层颜色进行分析处理，解算出透明玻璃壁面对SSLC涂层的摩擦力场；
步骤六：根据牛顿第三运动定律，流道内壁面受到气流的摩擦力场与透明玻璃壁面对SSLC涂层的摩擦力场大小相同，方向相反。
进一步，所述的SSLC涂层厚度均匀，并且厚度不超过10 um。
进一步，所述的黑色涂层可以通过喷涂Hallcrest公司的亲水黑色颜料SPB100、贴一层黑色风洞专用壁纸或者进行铝阳极电镀处理而实现，以消除SSLC涂层的背景颜色干扰。
进一步，通过调整点光源的底座与SSLC涂层的距离使得SSLC涂层不同区域的光线照射方向差异不超过15°，此处距离不宜太远，否则光线太弱。
进一步，所述的多台相机围绕管道气流的逆方向在ϕ = −90°~90°范围内均匀布置，所述的相机距流道壁面测量区域的距离相等，相机视线方向与待测壁面的夹角，即相机相对于待测壁面的俯视角相同，俯视角取值范围为20°~70°。
进一步，所述的各台相机的俯视角优选值为28.5°。
进一步，管道气流会对SSLC涂层施加的摩擦力τ gas，相应地透明玻璃壁面会对SSLC涂层施加大小相同、方向相反的摩擦力τ wall；位于不同位置的相机透过透明玻璃壁面从不同方向采集SSLC涂层在摩擦力τ wall作用下的颜色，应用Reda提出的多视角方法可以解算出测量区不同位置的τ wall的大小和方向，进而可以得到的整个测量区的摩擦力矢量场。
进一步，气流对SSLC涂层的摩擦力τ gas的方向不限于完全沿管道主气流的方向，只要有沿沿管道主气流方向的分量即可，并且在测量区域的不同位置，摩擦力矢量不一定相同，特别是管道内存在激波/边界层干扰的情况下。
本发明与现有技术的有益效果在于：
针对目前的SSLC涂层技术只能测外部流动的摩擦力场、不能测量流道内部流动的摩擦力场的缺陷，本方法通过将流道壁面设计为可拆卸的透明玻璃壁面，在流道内侧喷涂SSLC涂层，从流道外侧透过透明玻璃壁面对SSLC涂层进行照射和观测，给出了一种应用SSLC涂层测量流道内壁面摩擦力矢量场的方法，为研究管道内部流动的机理，比如管道流的激波/边界层干扰，提供了一种新的技术途径。
附图说明
图1为本发明实施案例中流道内壁面摩擦力场测量方法原理图的侧视图；
图2为本发明实施案例中流道内壁面摩擦力场测量方法原理图的俯视图；
其中，1-流道上壁面，2-流道下壁面，3-透明玻璃壁面，4-SSLC涂层，5-黑色涂层，6-气流，7-点光源，8-光源底座，9-相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
假设流道的上下壁面均为平面，如图1~2所示，待测量摩擦力场的流道壁面分为流道上壁面1，流道下壁面2和流道侧壁面（图中为了便于显示，没有给出流道侧壁面）。将需要测量摩擦力的流道上壁面1的待测区域替换为可拆卸的透明玻璃壁面3，透明玻璃壁面3采用有机玻璃材料，并对透明玻璃壁面3的内侧表面进行喷砂处理，喷涂透明玻璃砂。
流道下壁面2的内表面与流道上壁面1的待测区域正面相对的位置涂覆一层黑色涂层5。黑色涂层5可以通过喷涂Hallcrest公司研制的亲水黑色颜料SPB100、贴一层黑色风洞专用壁纸或者进行黑色电镀处理而实现。
在透明玻璃壁面3的位于流道内壁的表面喷涂SSLC涂层4，厚度不超过10 um。在图1所示的案例中，气流6会对SSLC涂层4施加向左的摩擦力τ gas（指τ gas具有向左的分量），相应地，玻璃壁面3会对SSLC涂层4施加向右的摩擦力τ wall。采用位于流道外侧的点光源7透过玻璃壁面3对SSLC涂层4进行照射（通过调整光源底座8的高度使得SSLC涂层4不同区域的光线方向差异不超过15°）。如图1~2所示，采用位于流道外侧的六台同步相机9透过透明玻璃壁面3从六个方向同时采集SSLC涂层4在摩擦力作用下的颜色。六台相机9围绕摩擦力τ wall的方向在ϕ = −90°~90°范围内均匀布置，各个相机距流道壁面测量区域的距离相等，六台相机的俯视角相同（取值范围为20°~70°，优选值为28.5°）。对六台相机9采集的SSLC涂层颜色进行分析处理，可解算出透明玻璃壁面3对SSLC涂层4的摩擦力矢量场。其中，待测量区域任意位置的摩擦力矢量的具体解算方法应用Reda提出的多视角方法，只是在校准SSLC涂层的颜色变化与摩擦力大小的对应关系时需要透过相同的透明玻璃进行照射和观测。
根据牛顿第三运动定律，SSLC涂层4受到气流6的摩擦力矢量场τ gas与透明玻璃壁面3对SSLC涂层4的摩擦力矢量场τ wall的大小相同，方向相反。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：待测量摩擦力场的流道壁面分为流道上壁面（1），流道下壁面（2）、流道侧壁面；将需要测量摩擦力场的流道上壁面（1）设计为透明玻璃壁面（3），并对透明玻璃壁面（3）位于流道内壁的一侧表面进行喷砂处理，即喷涂透明玻璃砂，使其内表面的粗糙度与实际流道一致；
步骤二：将位于待测透明玻璃壁面（3）对面位置的流道下壁面（2）进行黑色处理，形成黑色涂层（5）；
步骤三：在流道的透明玻璃壁面（3）的内壁面喷涂SSLC涂层（4），所述SSLC涂层（4）与黑色涂层（5）在气流（6）两侧相对应，且位置相对；
步骤四：将点光源（7）置于流道外侧，从玻璃壁面的法向方向透过透明玻璃壁面（3）为SSLC涂层（4）提供照射光线，将相机（9）置于流道外侧的不同位置，透过透明玻璃壁面（3）从不同方向观测SSLC涂层（4）的颜色，采用无线快门控制器控制相机（9）同步拍照，所述的相机（9）至少为五台；
步骤五：开启风洞，建立流场，采用点光源（7）并通过相机（9）从相机所处位置的不同方向同时采集SSLC涂层（4）在摩擦力作用下的颜色变化图像，应用多视角方法对同时拍摄的SSLC涂层颜色进行分析处理，解算出透明玻璃壁面（3）对SSLC涂层（4）的摩擦力矢量场；
步骤六：根据牛顿第三运动定律，流道内壁面受到气流（6）的摩擦力场与透明玻璃壁面（3）对SSLC涂层（4）的摩擦力场大小相同，方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，将需要测量摩擦力场的流道壁面设计为可拆卸的透明玻璃壁面，在玻璃壁面内侧喷涂SSLC涂层（4），所述的SSLC涂层厚度均匀，并且厚度不超过10 um，在流道外侧采用点光源（7）透过玻璃壁面进行照射并且采用相机（9）透过玻璃壁面进行观测。
3.根据权利要求2所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，所述的相机（9）围绕气流6的逆方向在ϕ = −90°~90°范围内均匀布置，所述的相机（9）距测量区域的距离相等，相机（9）视线与待测量壁面的夹角，即俯视角相同，俯视角取值范围为20°~70°。
4.根据权利要求3所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，所述的相机（9）的俯视角优选值为28.5°。
5.根据权利要求1所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，所述的黑色涂层（5）通过喷涂亲水黑色颜料SPB100、贴黑色壁纸或者进行黑色电镀处理而实现。
6.根据权利要求1所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，通过调整与点光源（7）连接的光源底座（8）的高度使得SSLC涂层（4）不同区域的光线方向差异不超过15°。
7.根据权利要求1所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，气流（6）会对SSLC涂层（4）施加摩擦力τ gas，相应地透明玻璃壁面（3）会对SSLC涂层（4）施加大小相同、方向相反的摩擦力τ wall；位于不同位置的相机（9）透过透明玻璃壁面（3）从不同方向同时采集SSLC涂层（4）在摩擦力τ wall作用下的颜色，用于解算测量区域不同位置τ wall的大小和方向，进而得到待测区域的摩擦力矢量分布。
8.根据权利要求7所述的一种基于剪切敏感液晶涂层的流道内壁面摩擦力场测量方法，其特征在于，气流（6）对SSLC涂层（4）的摩擦力τ gas的方向不限于完全沿管道主气流方向，只要有沿主气流方向的分量即可。
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