CN111473948A - 一种低温跨声速设备tsp转捩测量试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置。该测量装置包括试验模型、CCD相机、光源、数据处理计算机和加热装置；试验模型为金属模型，在试验模型表面，从下至上依次覆盖有绝缘隔热层、加热层、绝缘热反射层、绝缘导热层、温敏涂料底漆和温敏涂料面漆；CCD相机捕获试验模型表面图像；光源提供照明；数据处理计算机用于接收CCD相机捕获的试验模型表面图像，并进行图像识别与处理；加热装置用于加热加热层，控制试验模型表面温度。该测量装置中的试验模型表面具有多层结构，能够将TSP试验技术工作温度从室温降至77K，同时大幅提升传热分辨率和转捩测量精度。该测量装置特别适用于在低温环境下研究对象的流动结构，具有推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于低温跨声速设备试验技术领域，具体涉及一种低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置。
背景技术
飞行器飞行过程中，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影响，飞行雷诺数下的转捩位置确定是飞行器设计的关键技术之一。在地面试验时，为了实现飞行条件模拟，通常利用低温环境实现，常规边界层转捩测量技术如萘升华法、油膜干涉法、脉动压力测量法、热膜测量法、红外测量法等在低温环境下效果较差。而TSP测量技术使用高性能相机，可以获得高分辨率的温度分布图像，配合不同工作温度的TSP涂料，具备在低温环境中开展广泛应用的潜力。
TSP技术是基于引入温度阶跃来增强转捩引发的温度效应原理发展而来的。但是在跨声速时，试验模型与来流温差较小，对传热特性的分辨率不高，导致目前已有TSP温敏转捩测量技术测量精度降低。
当前，亟需发展一种针对低温跨声速设备的TSP转捩测量试验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置。
本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特点是，所述的测量装置包括试验模型、CCD相机、光源、数据处理计算机和加热装置；
所述的试验模型为金属模型，在试验模型表面，从下至上依次覆盖有绝缘隔热层、加热层、绝缘热反射层、绝缘导热层、温敏涂料底漆和温敏涂料面漆；
所述的CCD相机放置在低温跨声速设备的上驻室，上驻室壁板上开有观察窗，CCD相机通过观察窗捕获试验模型表面图像；
所述的光源放置在低温跨声速设备的上驻室，光源通过观察窗为CCD相机提供照明；
所述的数据处理计算机位于低温跨声速设备的外部，与CCD相机连接，用于接收CCD相机捕获的试验模型表面图像，并进行图像识别与处理；
所述的加热装置位于低温跨声速设备外部，与加热层的正电极、负电极连接，用于加热加热层，控制试验模型表面温度。
所述的测量装置还包括移测机构、热线探头和频谱分析仪；所述的移测机构为X向、Y向、Z向三自由度运动机构，安装在低温跨声速设备的上驻室内，热线探头安装在移测机构伸入低温跨声速设备试验段的支臂上，移测机构带动热线探头测量试验模型边界层内的速度分布；频谱分析仪位于低温跨声速设备的外部，与热线探头连接，用于分析热线探头的输出信号。
所述的测量装置还包括红外相机，红外相机安装在低温跨声速设备的上驻室内，透过观察窗监测加热层的加热效果。
所述的CCD相机为科学级相机，分辨率1600×1200像素，采集速度44帧/秒。
所述的观察窗上安装有滤光片。
所述的光源为LED光源或者激光。
进一步地，LED光源的输出功率大于等于3w，强度高于10mw/cm2。
本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置中的试验模型是表面具有多层结构的金属试验模型，能够将TSP试验技术工作温度从室温降至77K，同时大幅提升了传热分辨率和转捩测量精度。本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置特别适用于在低温环境下研究对象的流动结构，具有推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置示意图；
图2为本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置中的试验模型；
图3为本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置的试验结果图。
图3中，-表示马赫数0.6时的转捩测量结果；×表示马赫数0.73时的转捩测量结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置包括试验模型、CCD相机、光源、数据处理计算机和加热装置；
所述的试验模型为金属模型，如图2所示，在试验模型表面，从下至上依次覆盖有绝缘隔热层、加热层、绝缘热反射层、绝缘导热层、温敏涂料底漆和温敏涂料面漆；
所述的CCD相机放置在低温跨声速设备的上驻室，上驻室壁板上开有观察窗，CCD相机通过观察窗捕获试验模型表面图像；
所述的光源放置在低温跨声速设备的上驻室，光源通过观察窗为CCD相机提供照明；
所述的数据处理计算机位于低温跨声速设备的外部，与CCD相机连接，用于接收CCD相机捕获的试验模型表面图像，并进行图像识别与处理；
所述的加热装置位于低温跨声速设备外部，与加热层的正电极、负电极连接，用于加热加热层，控制试验模型表面温度。
所述的测量装置还包括移测机构、热线探头和频谱分析仪；所述的移测机构为X向、Y向、Z向三自由度运动机构，安装在低温跨声速设备的上驻室内，热线探头安装在移测机构伸入低温跨声速设备试验段的支臂上，移测机构带动热线探头测量试验模型边界层内的速度分布；频谱分析仪位于低温跨声速设备的外部，与热线探头连接，用于分析热线探头的输出信号。
所述的测量装置还包括红外相机，红外相机安装在低温跨声速设备的上驻室内，透过观察窗监测加热层的加热效果。
所述的CCD相机为科学级相机，分辨率1600×1200像素，采集速度44帧/秒。
所述的观察窗上安装有滤光片。
所述的光源为LED光源或者激光。
进一步地，LED光源的输出功率大于等于3w，强度高于10mw/cm2。
实施例1
本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置的具体试验过程如下：
a.加工试验模型，试验模型为基于超临界翼型的金属机翼模型，试验模型的后掠角为20°，弦长为20mm，展长为600mm；
b.清理试验模型表面，随后在试验模型表面从下至上依次覆盖绝缘隔热层、加热层、绝缘热反射层、绝缘导热层、温敏涂料底漆和温敏涂料面漆；
c.安装试验模型、CCD相机、LM2x-400LED阵列光源、滤光片，连接数据处理计算机和加热装置；
d.安装移测机构，并将热线探头安装在移测机构伸入低温跨声速设备试验段的支臂，随后进行热线探头电流控制调试；
e.进行系统联调，确定试验装置工作正常；
f.打开加热装置预热试验模型，通过红外相机采集试验模型表面温度分布图谱，直至试验模型表面温度高于低温跨声速设备来流总温30K～50K；
g.按照常规试验流程开展低温跨声速设备试验，根据试验计划表通过CCD相机捕获试验模型表面图像；
h.通过移测机构移动热线探头，采集试验模型近壁面流速；
i.改变5次热线探头电流，并按照步骤h的移动轨迹分布采集5次试验模型近壁面流速；
j.将步骤g获得的试验模型表面图像进行图像识别与数据处理后得到CCD相机测得的试验模型表面转捩位置；
k.通过频谱分析仪对热线探头采集的近壁面流速进行频谱分析，再通过数据处理和拟合，最终绘制出热线探头测量的试验模型近壁面边界层特性，分析确定热线探头测得的试验模型表面转捩位置；
l.对步骤j、k获得的两种试验模型表面转捩位置进行对比分析，得出如图3所示的试验模型表面转捩位置的最终结果。
从图3可以看出，采用本发明的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置可以精确分辨不同来流条件下的光强比变化规律，可由此确定翼面的转捩位置。
Claims (7)
1.一种低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的测量装置包括试验模型、CCD相机、光源、数据处理计算机和加热装置；
所述的试验模型为金属模型，在试验模型表面，从下至上依次覆盖有绝缘隔热层、加热层、绝缘热反射层、绝缘导热层、温敏涂料底漆和温敏涂料面漆；
所述的CCD相机放置在低温跨声速设备的上驻室，上驻室壁板上开有观察窗，CCD相机通过观察窗捕获试验模型表面图像；
所述的光源放置在低温跨声速设备的上驻室，光源通过观察窗为CCD相机提供照明；
所述的数据处理计算机位于低温跨声速设备的外部，与CCD相机连接，用于接收CCD相机捕获的试验模型表面图像，并进行图像识别与处理；
所述的加热装置位于低温跨声速设备外部，与加热层的正电极、负电极连接，用于加热加热层，控制试验模型表面温度。
2.根据权利要求1所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的测量装置还包括移测机构、热线探头和频谱分析仪；所述的移测机构为X向、Y向、Z向三自由度运动机构，安装在低温跨声速设备的上驻室内，热线探头安装在移测机构伸入低温跨声速设备试验段的支臂上，移测机构带动热线探头测量试验模型边界层内的速度分布；频谱分析仪位于低温跨声速设备的外部，与热线探头连接，用于分析热线探头的输出信号。
3.根据权利要求1所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的测量装置还包括红外相机，红外相机安装在低温跨声速设备的上驻室内，透过观察窗监测加热层的加热效果。
4.根据权利要求1所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的CCD相机为科学级相机，分辨率1600×1200像素，采集速度44帧/秒。
5.根据权利要求1所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的观察窗上安装有滤光片。
6.根据权利要求1所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的光源为LED光源或者激光光源。
7.根据权利要求6所述的低温跨声速设备TSP转捩测量试验装置，其特征在于，所述的LED光源的输出功率大于等于3w，强度高于10mw/cm2。
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