脈衝風洞熱流測量系統、方法及其標定系統、方法
2023-09-18 19:53:20
脈衝風洞熱流測量系統、方法及其標定系統、方法
【專利摘要】本發明提供一種脈衝風洞熱流測量系統、方法及其標定系統、方法，該脈衝風洞熱流測量系統包括：模型，表面塗有雙色溫敏材料形成塗層；燈，用於照射在模型表面，持續為所述塗層提供激發能量，使所述塗層向外輻射第一色光、第二色光；第一相機，安裝第一色光濾光片，用於採集、記錄第一色光的光強值；第二相機，安裝第二色光濾光片，用於採集、記錄第二色光的光強值；工作站，用於存儲所述模型表面輻射的第一色光、第二色光的光強值，並計算同一時刻第一色光、第二色光的光強比，根據光強比與溫升之間的關係，將光強比換算到溫度變化，計算出所述模型表面熱流。本發明通過光學手段可實現模型全表面的熱流測量，而無需在模型表面布置熱流傳感器。
【專利說明】脈衝風洞熱流測量系統、方法及其標定系統、方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風洞熱流測量【技術領域】，特別涉及一種基於雙色溫敏發光塗層的脈衝風洞熱流測量系統、方法及其標定系統、標定方法。
【背景技術】
[0002]風洞熱流測量試驗是高超聲速飛行器熱防護設計中的重要研究手段。脈衝風洞相比於常規高超風洞可以獲得更高的來流馬赫數和雷諾數，但其缺點是有效試驗時間較短(通常為5-50毫秒)，在有效試驗時間內獲得豐富而準確的熱流數據是脈衝風洞測熱試驗面臨的一個難題。
[0003]傳統的脈衝風洞熱流測量是通過在模型表面布置熱流傳感器實現，熱流傳感器的原理是利用金屬的熱電效應(金屬材料受熱之後電阻發生改變)將「熱信號」轉換為「電信號」實現熱流的測量。其局限性在於:
[0004]1、由於熱流傳感器本身具有一定體積和長度(柱狀、片狀等)，在實際操作中必須考慮在模型表面安裝的空間問題，而在模型較薄或狹窄的部位，較難實現傳感器的安裝和引線。
[0005]2、傳感器之間需間隔一定的距離以保證測量精度。
[0006]可見，以上兩點缺陷使熱流傳感器無法實現模型全表面熱流數據的測量。
【發明內容】
[0007]本發明的目的之一在於提供一種基於雙色溫敏塗層的脈衝風洞熱流測量系統、方法，以無需在模型表面布置傳感器的非接觸熱流測量方案，解決現有技術存在的熱流傳感器無法實現模型全表面熱流數據測量的問題。
[0008]本發明的另一目的在於提供一種上述脈衝風洞熱流測量系統的標定系統、方法，以對其標定。
[0009]為了實現上述目的，本發明提供的脈衝風洞熱流測量系統的技術方案為:
[0010]一種脈衝風洞熱流測量系統，包括:模型，表面塗有雙色溫敏材料形成塗層，應用時安裝在風洞試驗段內；燈，用於照射在模型表面，持續為所述塗層提供激發能量，使所述塗層向外輻射分別具有一中心波長的第一色光、第二色光；第一相機，位於所述模型的一偵U，並安裝第一色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第一色光的光強值；第二相機，位於所述模型的一側，並安裝第二色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第二色光的光強值；工作站，與所述第一相機、第二相機通信連接，用於存儲所述模型表面輻射的第一色光、第二色光的光強值，並計算同一時刻第一色光、第二色光的光強比，根據光強比與溫升之間的關係，將光強比換算到溫度變化，進而計算出所述模型表面熱流。
[0011]優選地，在上述測量系統中，所述燈為紫外燈，且其發出的紫外線中心波長為365nm。[0012]優選地，在上述測量系統中，所述塗層的厚度為10_20μπι。
[0013]優選地，在上述測量系統中，所述雙色溫敏材料為在使用紫外線作為激發光源時，能夠分別輻射紅光(中心波長590nm)和藍光(中心波長480nm)的溫敏材料。
[0014]為了實現上述目的，本發明提供的脈衝風洞熱流測量方法的技術方案為:
[0015]一種脈衝風洞熱流測量方法，包括以下步驟:在模型表面噴塗雙色溫敏材料，形成塗層，安裝於風洞試驗段內；使用光線照射模型表面，為所述塗層提供激發能量使所述塗層輻射雙色可見光；採集模型表面圖像，並記錄試驗過程中模型表面在同一時刻輻射的兩種色光的光強值；計算同一時刻兩種色光的光強比，根據光強比與溫升的關係，反推出模型表面溫度的變化，進而計算出吹風過程中模型表面熱流的大小。
[0016]優選地，在上述測量方法中，所述光線為紫外線，且其中心波長為365nm。
[0017]優選地，在上述測量方法中，雙色可見光分別為藍光(中心波長480nm)、紅光(中心波長 590nm)。
[0018]優選地，在上述測量方法中，所述模型表面的塗層的厚度為10_20μπι。
[0019]優選地，在上述測量方法中，根據下述公式，計算光強比與溫升的關係:
【權利要求】
1.一種脈衝風洞熱流測量系統，其特徵在於，包括: 模型，表面塗有雙色溫敏材料形成塗層，應用時安裝在風洞試驗段內； 燈，用於照射在模型表面，持續為所述塗層提供激發能量，使所述塗層向外輻射分別具有一中心波長的第一色光、第二色光； 第一相機，位於所述模型的一側，並安裝第一色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第一色光的光強值； 第二相機，位於所述模型的一側，並安裝第二色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第二色光的光強值； 工作站，與所述第一相機、第二相機通信連接，用於存儲所述模型表面輻射的第一色光、第二色光的光強值，並計算同一時刻第一色光、第二色光的光強比，根據光強比與溫升之間的關係，將光強比換算到溫度變化，進而計算出所述模型表面熱流。
2.根據權利要求1所述的測量系統，其特徵在於，所述燈為紫外燈，且其發出的紫外線中心波長為365nm。
3.根據權利要求1所述的測量系統， 其特徵在於，所述塗層的厚度為10-20μ m。
4.根據權利要求2所述的測量系統，其特徵在於，所述雙色溫敏材料為在使用紫外線作為激發光源時，能夠分別輻射紅光(中心波長590nm)和藍光(中心波長480nm)的溫敏材料。
5.一種脈衝風洞熱流測量方法，其特徵在於，包括以下步驟: 在模型表面噴塗雙色溫敏材料，形成塗層，安裝於風洞試驗段內； 使用光線照射模型表面，為所述塗層提供激發能量使所述塗層輻射雙色可見光； 採集模型表面圖像，並記錄試驗過程中模型表面在同一時刻輻射的兩種色光的光強值； 計算同一時刻兩種色光的光強比，根據光強比與溫升的關係，反推出模型表面溫度的變化，進而計算出吹風過程中模型表面熱流的大小。
6.根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述光線為紫外線，且其中心波長為365nm，雙色可見光分別為藍光、紅光，且其中心波長分別為480nm、590nm。
7.根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述模型表面的塗層的厚度為IO-20 u ITio
8.根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，根據下述公式，計算光強比與溫升的關係:
(I \ ATi=U ^
H Ji 其中，Ib為第一色光(藍光)的光強值，Ie為第二色光的光強值(紅光)，Δ Ti為某一時刻的溫升值，i為時刻，a為通過標定得到的光強比與溫升之間的關係參數。
9.一種用於權利要求1-4任一所述脈衝風洞熱流測量系統的標定系統，其特徵在於，包括: 標定片，表面塗有雙色溫敏材料形成塗層；且所述標定片上的塗層與所述模型上的塗層的材料、厚度、粗糙度相同；加熱片，與標定片貼合，用於對標定片加溫，加熱片溫度受溫控儀控制； 燈，用於所述加熱片上的塗層提供激發能量，使其向外輻射可見光； 溫控儀，與所述加熱片連接，用於加熱所述加熱片至指定溫度並將溫度數據上傳； 第一相機，位於所述加熱片的一側，並安裝第一色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第一色光的光強值； 第二相機，位於所述加熱片的一側，並安裝第二色光濾光片，用於連續採集所述模型的圖像、記錄所述模型表面第二色光的光強值； 工作站，與所述第一相機、第二相機通信連接，用於存儲所述標定片第一色光、第二色光的光強值，並計算同一時刻第一色光、第二色光的光強比，根據光強比與溫升之間的關係，將光強比換算到溫度變化，進而計算出所述標定片溫度； 所述燈、第一相機、第二相機與所述測量系統中的所述燈、第一相機、第二相機參數一致。
10.一種用於權利要 求1-4任一所述脈衝風洞熱流測量系統的標定方法，其特徵在於，包括以下步驟: 在一標定片表面塗有雙色溫敏材料，形成塗層，所述塗層的材料、厚度、粗糙度和所述模型上的塗層相同； 將加熱片與標定片貼合，加熱片溫度受溫控儀控制對標定片加溫； 使用光線照射標定片的塗層，使其向外輻射第一色光、第二色光； 將標定片加熱至指定溫度並記錄溫度數據，同時採集此溫度下標定片上的塗層輻射的第一色光的光強值、第二色光的光強值，計算第一色光、第二色光的光強比；針對不同溫度重複該過程，得到一個溫度序列下的對應的光強比； 計算光強比與溫升分布之間的關係； 所述光線與所述測量系統中所述燈發出的光線相同，採集標定片上的塗層輻射光強的設備與所述測量系統的相機的參數一致。
【文檔編號】G01M9/06GK103776611SQ201310706610
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】韓曙光, 宮建, 文帥, 畢志獻, 伍超華 申請人:中國航天空氣動力技術研究院