CN114235323B - 一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置及方法，装置包括：斜楔、拉瓦尔喷管、光源、支架、高速相机、等直管道、可拆卸的下壁板、高频动态压力传感器、动态压力采集系统、旋转凸轮；本发明在对称流场结构中一半进行剪切敏感液晶涂层试验，一半进行测压试验，规避了剪切敏感液晶涂层吹风后流入测压孔对壁面测压的影响；等直管道下壁面采用可拆卸亮黑色金属板，便于拆卸进行重复试验，亮黑色底板使剪切敏感液晶涂层颜色变化更为明显，提高了剪切敏感液晶涂层颜色显色效果。

Description

一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置及方法
技术领域
本发明属于空气动力学领域，具体指代一种通过高频动态压力传感器来校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置及方法。
背景技术
剪切敏感液晶涂层具有对剪切应力敏感的光学特性，剪切敏感液晶涂层的显色不但与受到的应力大小有关，而且与应力方向有关。在白色光源垂直照射下，利用相机拍摄剪切敏感液晶涂层所反射的空间光谱图像，可以获得壁面摩擦力的分布。
基于剪切敏感液晶涂层技术开展了大量试验研究，通过剪切敏感图像光谱Hue色相值转化，实现了剪切敏感图像信息的定量分析。剪切敏感液晶涂层技术可用于复杂流场的显示，实现对边界层流动特征的辨识，可以清晰地捕捉边界层分离、再附及转捩等流动现象。通过对油流、摩阻天平等试验方法的对比，表明剪切敏感液晶涂层能够应用到摩阻分布显示和定量测量上，剪切敏感液晶涂层测量结果与其他测量结果吻合度高，试验精准度高，可为摩阻预测和边界层转捩研究提供参考。
现有的研究考虑了剪切敏感液晶涂层在对流场变化做出反馈后的显示结果，在显示测量的精度方面做出了突破，但剪切敏感液晶涂层对流场变化的响应方面的研究少有涉及。本发明着重于研究剪切敏感液晶涂层的响应频率，分析剪切敏感结果对真实流场结构的反馈情况。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置及方法，以解决现有技术中校准剪敏液晶涂层响应频率困难的问题；本发明基于剪切敏感液晶涂层技术与动态压力测量技术，完成对剪切敏感液晶涂层响应频率的校准。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，包括：斜楔、拉瓦尔喷管、光源、支架、高速相机、等直管道、可拆卸的下壁板、高频动态压力传感器、动态压力采集系统、旋转凸轮；其中，
斜楔安装在等直管道的上壁面，位于拉瓦尔喷管的出口处，等直管道与拉瓦尔喷管相连，形成超声速流区，斜楔、等直管道及拉瓦尔喷管三者共同组成流场管道模型，斜楔用以产生入射激波；所述旋转凸轮安装在等直管道的下游(尾部)，通过电机来驱动其旋转，旋转凸轮旋转产生小扰动并向上游传递小扰动；流场管道模型从支架中间位置穿过；光源固定在支架上，且位于试验区域正上方，光源产生垂直于等直管道下壁面的平行光；高速相机放置在流场管道模型正上方上游位置，实现从顺流方向斜上方对等直管道下壁面的拍摄；高频动态压力传感器安装于等直管道上、下壁面，连接动态压力采集系统；所述动态压力采集系统用于采集压力信号；所述可拆卸的下壁板安装在等直管道下壁面。
优选地，所述拉瓦尔喷管出口处的超声速气流在斜楔前缘(即斜楔前面和斜楔边缘的共同组合成一个立体的面)产生入射激波并延伸至等直管道下壁面，与湍流边界层相互作用从而产生对称的流动分离与再附结构。
优选地，所述等直管道上壁面、侧壁面均采用光学玻璃材质，下壁面使用镀钛亮黑色金属材料。
优选地，所述等直管道下壁面设有一矩形的缺口，用于安装可拆卸的下壁板，并通过螺丝连接。
优选地，所述等直管道下壁面与可拆卸的下壁板保持一个平面且为过盈配合。
优选地，所述等直管道上壁面、下壁面均设有多个测压孔，其沿直线分布于等直管道中轴线偏左2mm处，各测压孔等距分布。
优选地，所述旋转凸轮是椭圆凸轮，其椭圆长轴和短轴尺寸根据等直管道的截面积确定；旋转凸轮旋转时，沿流向不同截面形状在内流道中形成不同的流动阻塞，造成下游压力脉动发生相应的变化，产生类正弦形式的压力扰动；由于椭圆凸轮每旋转一周，对内流道的流动阻塞变化两个周期，故下游压力扰动的频率是凸轮旋转频率的两倍。
优选地，所述高频动态压力传感器安装于上、下壁面测压孔内。
优选地，所述高速相机的镜头对准等直管道下壁面。
本发明的一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的方法，基于上述装置，包括步骤如下：
步骤1：调整支架位置，使光源位于等直管道中试验区域的正上方；
步骤2：将剪切敏感液晶涂层喷涂于等直管道下壁面右半部分；
步骤3：进行风洞试验，测量激波边界层干扰区内的壁面摩擦阻力变化；测量干扰区内的壁面压力变化；
步骤4：将试验测得的壁面摩擦阻力变化与壁面压力变化进行相关性分析，通过壁面压力变化校准剪切敏感液晶涂层测量的响应频率。
优选地，所述的步骤2具体为：将剪切敏感液晶涂层溶液通过喷枪均匀地喷涂于可拆卸的下壁板后，将可拆卸的下壁板用螺钉固定在等直管道内，保证可拆卸的下壁板与拉瓦尔喷管的出口表面平整光滑连接。
优选地，所述步骤3具体为：高速相机需要记录下壁面的颜色分布变化，通过转化剪切敏感液晶涂层图像光谱Hue色相值，得到激波边界层干扰区内的壁面摩擦阻力变化。
优选地：所述步骤3具体为：当旋转凸轮以某一固定频率做周期性旋转运动时，试验区域内激波串会以相应的频率振荡，导致动态压力传感器所测压力以相应的频率产生周期性变化；当旋转凸轮周期性旋转运动频率发生变化时，动态压力传感器所测压力的频率随之变化。
优选地：所述步骤3具体为：当旋转凸轮以某一固定频率做周期性旋转运动时，试验区域内激波串会以相应的频率振荡，导致剪切敏感液晶涂层的颜色以相应的频率产生周期性变化；当旋转凸轮周期性旋转运动频率发生变化时，剪切敏感液晶涂层颜色的频率随之变化。
优选地，所述步骤4具体为：通过旋转凸轮传递的小扰动导致激波串受迫振荡，其振荡频率通过高频动态压力传感器测得；与壁面摩擦阻力的变化频率进行对比；如果壁面摩擦阻力的变化频率与高频动态压力传感器所测得压力变化频率一致，则表明剪切敏感液晶涂层响应频率大于该频率；反之，则剪切敏感液晶涂层响应频率小于该频率；因此，通过二分法测得剪切敏感液晶涂层响应频率。
本发明的有益效果：
本发明在对称流场结构中一半进行剪切敏感液晶涂层试验，一半进行测压试验，规避了剪切敏感液晶涂层吹风后流入测压孔对壁面测压的影响；等直管道下壁面采用可拆卸亮黑色金属板，便于拆卸进行重复试验，亮黑色底板使剪切敏感液晶涂层颜色变化更为明显，提高了剪切敏感液晶涂层颜色显色效果。
本发明具有结构简单、操作方便、对设备要求较低的特点；通过高频动态压力传感器采集压力，校准了剪切敏感液晶涂层响应频率。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图；
图2为本发明中流场管道模型的剖视示意图；
图3为本发明剪切敏感液晶涂层喷涂区域及测压孔分布示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种校准剪切敏感液晶涂层流场响应频率的试验装置，包括：支架1、高速相机2、斜楔3、拉瓦尔喷管4、高频动态压力传感器5、可拆卸的下壁板6、动态压力采集系统7、光源8、等直管道9、旋转凸轮10；其中，
所述拉瓦尔喷管4出口处的超声速气流在斜楔3前缘产生了一道入射激波并延伸至等直管道9下壁面，与湍流边界层相互作用从而产生对称的流动分离与再附结构；等直管道9上壁面、侧壁面均为光学玻璃材料，具备高透光性，方便光线传播；等直管道下壁面安装有可拆卸下壁板6，其为剪切敏感液晶涂层与动态压力测量平面，使用镀钛亮黑色金属材料，提升剪切敏感液晶涂层平面的颜色对比度，便于观察剪切敏感液晶涂层测量结果，如图2所示。
所述斜楔3的安装位置紧靠拉瓦尔喷管4出口上壁面处，且拉瓦尔喷管4与等直管道9平直连接，连接处光滑水平过渡，保证流场的均匀性，如图2所示；上壁面等间距分布大小相同的六个测压孔。
所述可拆卸下壁板6沿中轴线划分，右半部分喷涂剪切敏感液晶涂层，左半部分等距分布大小相同的八个测压孔，保证测压试验不受干扰，如图3所示。
所述支架1采用标准铝型材搭建，连接处使用标准角件连接；支架1固定在水平地面上，支架位于喷管的出口处，光源8通过支架1固定悬于试验区正上方，产生垂直于等直管道下壁面的平行光源。
斜楔3、等直管道9及拉瓦尔喷管4三者共同组成流场管道模型，斜楔用以产生入射激波；旋转凸轮10安装在等直管道9的下游(尾部)，通过电机来驱动其旋转，旋转凸轮旋转产生小扰动并向上游传递小扰动；流场管道模型从支架中间位置穿过；高速相机2放置在流场管道模型正上方上游位置，实现从顺流方向斜上方对等直管道下壁面的拍摄；高频动态压力传感器5安装于等直管道下壁面，连接动态压力采集系统7；所述动态压力采集系统用于采集压力信号。
具体地，所述等直管道9下壁面设有一矩形的缺口，用于安装可拆卸的下壁板6，并通过螺丝连接。
具体地，所述等直管道9下壁面与可拆卸的下壁板6保持一个平面且为过盈配合。
所述支架1使用亚光黑喷漆喷涂，避免反光对试验的干扰。
本发明的一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的方法，基于上述装置，包括步骤如下：
步骤1：调整支架位置，使光源位于等直管道中试验区域的正上方；
步骤2：将剪切敏感液晶涂层喷涂于等直管道下壁面右半部分；
其中，所述的步骤2具体为：将剪切敏感液晶涂层溶液通过喷枪均匀地喷涂于可拆卸的下壁板后，将可拆卸的下壁板用螺钉固定在等直管道内，保证可拆卸的下壁板与拉瓦尔喷管的出口表面平整光滑连接。
步骤3：进行风洞试验，测量激波边界层干扰区内的壁面摩擦阻力变化；测量干扰区内的壁面压力变化；
其中，所述步骤3具体为：高速相机需要记录下壁面的颜色分布变化，通过转化剪切敏感液晶涂层图像光谱Hue色相值，得到激波边界层干扰区内的壁面摩擦阻力变化；
当旋转凸轮以某一固定频率做周期性旋转运动时，试验区域内激波串会以相应的频率振荡，导致动态压力传感器所测压力以相应的频率产生周期性变化；当旋转凸轮周期性旋转运动频率发生变化时，动态压力传感器所测压力的频率随之变化。
当旋转凸轮以某一固定频率做周期性旋转运动时，试验区域内激波串会以相应的频率振荡，导致剪切敏感液晶涂层的颜色以相应的频率产生周期性变化；当旋转凸轮周期性旋转运动频率发生变化时，剪切敏感液晶涂层颜色的频率随之变化。
步骤4：将试验测得的壁面摩擦阻力变化与壁面压力变化进行相关性分析，通过壁面压力变化校准剪切敏感液晶涂层测量的响应频率；
其中，所述步骤4具体为：通过旋转凸轮传递的小扰动导致激波串受迫振荡，其振荡频率通过高频动态压力传感器测得；与壁面摩擦阻力的变化频率进行对比；如果壁面摩擦阻力的变化频率与高频动态压力传感器所测得压力变化频率一致，则表明剪切敏感液晶涂层响应频率大于该频率；反之，则剪切敏感液晶涂层响应频率小于该频率；因此，通过二分法测得剪切敏感液晶涂层响应频率。
本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，包括：斜楔、拉瓦尔喷管、光源、支架、高速相机、等直管道、可拆卸的下壁板、高频动态压力传感器、动态压力采集系统、旋转凸轮；
斜楔安装在等直管道的上壁面，位于拉瓦尔喷管的出口处，等直管道与拉瓦尔喷管相连，形成超声速流区，斜楔、等直管道及拉瓦尔喷管三者共同组成流场管道模型，斜楔用以产生入射激波；所述旋转凸轮安装在等直管道的下游，通过电机来驱动其旋转，旋转凸轮旋转产生小扰动并向上游传递小扰动；流场管道模型从支架中间位置穿过；光源固定在支架上，且位于试验区域正上方，光源产生垂直于等直管道下壁面的平行光；高速相机放置在流场管道模型正上方上游位置，实现从顺流方向斜上方对等直管道下壁面的拍摄；高频动态压力传感器安装于等直管道上、下壁面，连接动态压力采集系统；所述动态压力采集系统用于采集压力信号；所述可拆卸的下壁板安装在等直管道下壁面；
所述可拆卸下壁板沿中轴线划分，右半部分喷涂剪切敏感液晶涂层，左半部分等距分布大小相同的八个测压孔。
2.根据权利要求1所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管出口处的超声速气流在斜楔前缘产生入射激波并延伸至等直管道下壁面，与湍流边界层相互作用从而产生对称的流动分离与再附结构。
3.根据权利要求1所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，所述等直管道上壁面、侧壁面均采用光学玻璃材质，下壁面使用镀钛亮黑色金属材料。
4.根据权利要求1所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，所述等直管道下壁面设有一矩形的缺口，用于安装可拆卸的下壁板，并通过螺丝连接。
5.根据权利要求1所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，所述等直管道下壁面与可拆卸的下壁板保持一个平面且为过盈配合。
6.根据权利要求1所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的试验装置，其特征在于，所述旋转凸轮是椭圆凸轮，其椭圆长轴和短轴尺寸根据等直管道的截面积确定；旋转凸轮旋转时，沿流向不同截面形状在内流道中形成不同的流动阻塞，造成下游压力脉动发生相应的变化，产生类正弦形式的压力扰动；由于椭圆凸轮每旋转一周，对内流道的流动阻塞变化两个周期，故下游压力扰动的频率是凸轮旋转频率的两倍。
7.一种校准剪切敏感液晶涂层响应频率的方法，基于权利要求1-6中任意一项所述的装置，包括步骤如下：
步骤1：调整支架位置，使光源位于等直管道中试验区域的正上方；
步骤2：将剪切敏感液晶涂层喷涂于等直管道下壁面右半部分；
步骤3：进行风洞试验，测量激波边界层干扰区内的壁面摩擦阻力变化；测量干扰区内的壁面压力变化；
步骤4：将试验测得的壁面摩擦阻力变化与壁面压力变化进行相关性分析，通过壁面压力变化校准剪切敏感液晶涂层测量的响应频率。
8.根据权利要求7所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：将剪切敏感液晶涂层溶液通过喷枪均匀地喷涂于可拆卸的下壁板后，将可拆卸的下壁板用螺钉固定在等直管道内，保证可拆卸的下壁板与拉瓦尔喷管的出口表面平整光滑连接。
9.根据权利要求7所述的校准剪切敏感液晶涂层响应频率的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当旋转凸轮以某一固定频率做周期性旋转运动时，试验区域内激波串会以相应的频率振荡，导致动态压力传感器所测压力以相应的频率产生周期性变化；当旋转凸轮周期性旋转运动频率发生变化时，动态压力传感器所测压力的频率随之变化。
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