CN112432755A - 一种适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法，所述粘度调校方法包括：获取试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系；定义试验试剂的粘度修正因子；制备彩色荧光示踪粒子；选择调和油剂；获取该调和油剂的粘度与环境温度的数值关系；获取各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系；根据试验条件确定的适用粘度和粘度修正因子计算出目标粘度；根据目标粘度确定试验试剂的油粉质量比；根据确定的试验试剂的油粉质量比配置出试验试剂。本发明基于环境温度及试验模型的不同布局、构型和姿态角进行调校，使得试验试剂的粘度针对多累复杂布局的试验模型在宽速域的油流试验中更具有适用性。

Description

一种适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法

技术领域

本发明涉及油流试验技术领域，尤其是一种适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法。

背景技术

油流试验技术作为表面流动显示共用技术之一，通过将一定粘度的特定油剂与示踪粒子粉末均匀混合后涂附在模型表面形成混合试剂油膜，油膜在绕模型气流的剪切力作用下随气流运动，在模型表面形成油流图谱，通过油流图谱可以了解物面流场中奇点的分布规律，判读绕流流经物面形成的附流、气泡、漩涡、激波及分离等气动特征，为飞行器气动布局设计与优化提供简便、快捷的试验方法。为了清晰辨识模型表面不同部件流动差异及部件间的流场干扰特性，通过对不同部件涂附彩色油剂使其在模型表面形成彩色图谱加以区分。然而，油流试验中模型表面油流图谱的形成快慢及质量高低与油流混合试剂的成分关系密切，诸如示踪粒子与调和油剂的密度、混合试剂的粘度、示踪粒子的颜色稳定性等等，因此，试验试剂的适应性及粘度调校方法是开展高速风洞彩色荧光油流试验的关键技术之一。

现有的油流试剂存在如下问题：

(1)现有的油流试剂中的彩色示踪粒子成分不一，各色区粘度差异大，试验中个色区图谱形成的时间难于统一，不利于风洞吹风控制。

(2)现有的油流试剂粘度大，受扰响应灵敏度差，吹风时间长，无法精细刻画模型表面流场的流动特征且气源浪费严重，试验效果与经济性差。

(3)现有的油流试剂的粘度未针对试验时当地环境温度调校，且没有针对模型布局以及试验条件进行修正；

(4)现有的油流试剂在模型表面的油层厚，形成的油流图谱受重力和表面张力的作用下易变形走样，不耐存放，给图谱拍摄提出了苛刻要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法。

本发明提供的一种适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，包括如下步骤：

S1，根据大量试验结果汇总分析，获取试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系；

S2，根据试验模型试验模型的不同布局、构型和姿态角，定义试验试剂的粘度修正因子；

S3，制备彩色荧光示踪粒子；

S4，基于制备的彩色荧光示踪粒子，选择与其匹配的调和油剂；

S5，对所述调和油剂进行温度考核，获取该调和油剂的粘度与环境温度的数值关系；

S6，利用所述调和油剂与彩色荧光示踪粒子配置出不同油粉质量比的试验试剂，并对不同油粉质量比的试验试剂进行温度考核，获取各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系；

S7，在试验时先确定试验条件，并根据试验条件确定的试验M数，利用试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系，确定试验试剂的适用粘度；以及根据试验条件确定的试验模型的构型和姿态角，确定粘度修正因子；然后根据确定的试验试剂的适用粘度以及粘度修正因子计算出目标粘度；

S8，根据计算出的目标粘度，利用调和油剂的粘度与环境温度的数值关系，以及各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系，确定试验试剂的油粉质量比；

S9，根据确定的试验试剂的油粉质量比配置出试验试剂。

进一步的，步骤S2中，根据试验模型的不同布局、构型和姿态角定义的试验试剂的粘度修正因子如下：

进一步的，步骤S3中，所述制备彩色荧光示踪粒子的方法为：采用钛白粉粒子进行荧光烧制合成及染色处理，生成彩色荧光示踪粒子。

进一步的，所述彩色荧光示踪粒子的粒径为70nm～120nm。

进一步的，所述调和油剂为常温100mPa.s机油。

进一步的，步骤S7中计算目标粘度的方法为适用粘度×粘度修正因子。

本发明还提供一种适用宽速域彩色荧光油流试剂，所述彩色荧光油流试剂为根据上述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法配置的试验试剂。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的彩色荧光示踪粒子成分单一，使得能够在一种试剂配方下实现多颜色区分显示，且各色区图谱质量高、成型时间较为一致。

2、本发明的彩色荧光示踪粒子粒径适中并且色彩多样化，有利于复杂布局分区彩色示踪、区分流态差异，并使油剂配置工序得到有效简化。

3、本发明基于环境温度及试验模型的不同布局、构型和姿态角进行调校，使得试验试剂的粘度针对多累复杂布局的试验模型在宽速域(M＝0.3～8.0)的油流试验中更具有适用性。

4、本发明的油流试剂的粘度较传统方法能够降低40％左右，油膜厚度得到有效减小，受扰响应更灵敏，图谱成型快且耐存放、不易变形走样，提高了试验质量与经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法的流程框图。

图2为本发明实施例的试验试剂的适用粘度随试验M数的变化曲线图。

图3为本发明实施例的彩色荧光示踪粒子的结构示意图。

图4为本发明实施例的调和油剂为常温100mPa.s机油的粘度随环境温度变化曲线图。

图5为本发明实施例的不同油粉质量比的试验试剂的粘度随环境温度的变化曲线图。

图6a为本发明实施例的适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法应用在机翼前襟的试验图谱表面流态示例图。

图6b为本发明实施例的适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法应用在表面机翼的试验图谱表面流态示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

参见图1，本实施例的一种适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，包括如下步骤：

S1，根据大量试验结果汇总分析，获取试验试剂的适用粘度与试验M数(即试验马赫数M)的数值关系；所述试验试剂的适用粘度与试验M数的数值变化曲线如图2所示，其中，M＝0.3～8.0，M≥5.0时需要对加热试验风洞加热。

S2，根据试验模型的不同布局、构型和姿态角，定义试验试剂的粘度修正因子；

所述试验试剂的粘度修正因子直接由人工定义给出，根据试验模型的不同布局、构型和姿态角定义的试验试剂的粘度修正因子如表1所示。

表1：

需要说明的是，表1中的粘度修正因子主要针对试验试剂常规配置粘度，并且表1中的粘度修正因子仅针对试验模型的不同布局、构型在试验中的受风情况。

S3，制备彩色荧光示踪粒子；

所述制备彩色荧光示踪粒子的方法为：采用钛白粉粒子进行荧光烧制合成及染色处理，生成彩色荧光示踪粒子，如图3所示。根据试验调试，优选所述彩色荧光示踪粒子的粒径d为70nm～120nm。为了区分显示模型表面不同区域的流动特征通常采用不同色彩的示踪粒子，而现有的油流试剂中的彩色示踪粒子成分不一，如二氧化钛(白色)、铬酸铅(黄色)、红丹(红色)、炭黑(黑色)等。本实施例仅采用一种成分，即钛白粉粒子，通过荧光烧制合成和染色处理，使得能够在一种试剂配方下实现多颜色区分显示，且各色区图谱质量高、成型时间较为一致。

S4，基于制备的彩色荧光示踪粒子的密度特性和试验模型表面摩擦力应力要求，选择匹配的调和油剂；

基于制备的彩色荧光示踪粒子，要考虑其密度特性，同时还需要考虑调和油剂的粘度特性。油流试验中，M数跨度范围大，其当地条件下的静温范围也大，要求调和油剂的粘度相比试验试剂的综合粘度小，凝点低且随环境温度变化不大，环境温度对特定油粉质量比的试验试剂综合粘度的影响易于评估。针对上述条件，本实施例选择的所述调和油剂为常温100mPa.s机油，来作为与制备的彩色荧光示踪粒子匹配的调和油剂。

S5，对所述调和油剂进行温度考核，获取该调和油剂的粘度与环境温度的数值关系；

以常温100mPa.s机油为调和油剂的粘度与环境温度的变化曲线如图4所示，对应的数值关系表示为：

v(T)＝-1.24×10^-5×T³+0.0178T²-8.5611T+1399.3；

其中，v(T)为调和油剂的粘度，T为环境温度。

S6，利用所述调和油剂与彩色荧光示踪粒子配置出不同油粉质量比(调和油剂与彩色荧光示踪粒子的质量比)的试验试剂，并对不同油粉质量比的试验试剂进行温度考核，获取各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系；

所述各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系表示为：

v(λ)＝μ₁λ³+μ₂λ²+μ₃λ+η；

其中，v(λ)为试验试剂的粘度，λ为油粉质量比；μ₁、μ₂、μ₃分别为关系式中不同指数项的系数，η为关系式的常数项，μ₁、μ₂、μ₃、η均通过温度考核得到。以常温100mPa.s机油为调和油剂时，各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的变化曲线如图5所示，对应的数值关系如下：

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13155λ+11230(T＝277K)；

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13187λ+11230(T＝297K)；

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13213λ+11230(T＝317K)；

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13245λ+11230(T＝347K)；

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13267λ+11230(T＝377K)；

v(λ)＝-1305.3λ³+7025.9λ²-13296λ+11230(T＝417K)；

其中，v(λ)为试验试剂的粘度，λ为油粉质量比。

S7，在试验时先确定试验条件，并根据试验条件确定的试验M数，利用试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系，确定试验试剂的适用粘度；以及根据试验条件确定的试验模型的构型和姿态角，确定粘度修正因子；然后根据确定的试验试剂的适用粘度以及粘度修正因子计算出目标粘度；其中，计算目标粘度的方法为适用粘度×粘度修正因子。

S8，根据计算出的目标粘度，利用调和油剂的粘度与环境温度的数值关系，以及各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系，确定试验试剂的油粉质量比；

当计算出的目标粘度后，由于各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系有所不同，若直接通过各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系来确定试验试剂的油粉质量比会有较大工作量。因此，可以先利用调和油剂的粘度与环境温度的数值关系，为“陌生”环境温度下试验试剂的粘度特性预测提供参考，一般情况下在保证彩色荧光示踪粒子随调和油剂具有较好的跟随性时，试验试剂、调和油剂的粘度随环境温度变化在规律与量值上基本相当，从而可以由调和油剂的粘度与环境温度的数值关系先给出一个合适的环境温度范围，减少利用各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系，确定试验试剂的油粉质量比时的工作量。

S9，根据确定的试验试剂的油粉质量比配置出试验试剂。

本实施例还提供一种适用宽速域彩色荧光油流试剂，所述彩色荧光油流试剂为前述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法配置的试验试剂。也就是说，该试验试剂的成分为调和油剂和彩色荧光示踪粒子；所述调和油剂和彩色荧光示踪粒子的油粉质量比通过前述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法进行确定。

通过将本发明的适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法在20余期高速风洞油流试验中进行实施，试验M数范围为0.3～8.0，试验模型涵括常见的飞机、弹等各类飞行器，得到的试验图谱如图6a和6b所示，该试验图谱能清晰真实地反映模型表面流态特征。由此证明本发明的适用宽速域彩色荧光油流试剂及其粘度调校方法切实可行，并且具有如下有益效果：

1、本发明的彩色荧光示踪粒子成分单一，使得能够在一种试剂配方下实现多颜色区分显示，且各色区图谱质量高、成型时间较为一致。

2、本发明的彩色荧光示踪粒子粒径适中并且色彩多样化，有利于复杂布局分区彩色示踪、区分流态差异，并使油剂配置工序得到有效简化。

3、本发明基于环境温度及试验模型的不同布局、构型和姿态角进行调校，使得试验试剂的粘度针对多累复杂布局的试验模型在宽速域(M＝0.3～8.0)的油流试验中更具有适用性。

4、本发明的油流试剂的粘度较传统方法能够降低40％左右，油膜厚度得到有效减小，受扰响应更灵敏，图谱成型快且耐存放、不易变形走样，提高了试验质量与经济性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据大量试验结果汇总分析，获取试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系；

S2，根据试验模型试验模型的不同布局、构型和姿态角，定义试验试剂的粘度修正因子；

S3，制备彩色荧光示踪粒子；

S4，基于制备的彩色荧光示踪粒子，选择与其匹配的调和油剂；

S5，对所述调和油剂进行温度考核，获取该调和油剂的粘度与环境温度的数值关系；

S6，利用所述调和油剂与彩色荧光示踪粒子配置出不同油粉质量比的试验试剂，并对不同油粉质量比的试验试剂进行温度考核，获取各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系；

S7，在试验时先确定试验条件，并根据试验条件确定的试验M数，利用试验试剂的适用粘度与试验M数的数值关系，确定试验试剂的适用粘度；以及根据试验条件确定的试验模型的构型和姿态角，确定粘度修正因子；然后根据确定的试验试剂的适用粘度以及粘度修正因子计算出目标粘度；

S8，根据计算出的目标粘度，利用调和油剂的粘度与环境温度的数值关系，以及各环境温度下试验试剂的粘度与油粉质量比的数值关系，确定试验试剂的油粉质量比；

S9，根据确定的试验试剂的油粉质量比配置出试验试剂。

2.根据权利要求1所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，步骤S2中，根据试验模型的不同布局、构型和姿态角定义的试验试剂的粘度修正因子如下：

3.根据权利要求1所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，步骤S3中，所述制备彩色荧光示踪粒子的方法为：采用钛白粉粒子进行荧光烧制合成及染色处理，生成彩色荧光示踪粒子。

4.根据权利要求3所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，所述彩色荧光示踪粒子的粒径为70nm～120nm。

5.根据权利要求1所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，所述调和油剂为常温100mPa.s机油。

6.根据权利要求1所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法，其特征在于，步骤S7中计算目标粘度的方法为适用粘度×粘度修正因子。

7.一种适用宽速域彩色荧光油流试剂，其特征在于，所述彩色荧光油流试剂为根据权利要求1-6任一项所述的适用宽速域彩色荧光油流试剂粘度调校方法配置的试验试剂。

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