荧光油流显示技术在高超声速风洞中的应用

陈 磊,朱 涛,徐 筠,江 涛

(中国空气动力研究与发展中心,四川 绵阳 621000)

荧光油流显示技术在高超声速风洞中的应用

陈 磊*,朱 涛,徐 筠,江 涛

(中国空气动力研究与发展中心,四川 绵阳 621000)

通过原理性试验分析了系统组成中主要部件的参数指标，搭建了试验平台，完成不同颜色和类型荧光示踪剂的对比试验，筛选出性能可靠的荧光示踪剂，制作了荧光油膜，最后成功地将荧光油流显示技术应用到CARDC中的Φ1 m高超声速风洞中。并对荧光油流图像定量化显示技术进行了研究，结果表明，根据荧光油膜发出的荧光信号，能够推算出荧光油膜的厚度信息。

高超声速风洞；表面流动显示；荧光油流；油流图谱；定量化显示

0 引 言

随着现代高超声速飞行器的发展，模型外形复杂多样，模型表面的流动状态更加备受关注。油流法是一种既可显示模型表面复杂的流动图谱(如分离流动和旋涡流动等)，又操作简便、有效的手段。通过对模型表面油流图谱的分析可以了解气流在模型表面流动发生分离的位置、分离方式和特点、旋涡的形成等。近年来发展的油流谱分析理论为油流图谱的判读提供了理论依据，使得这一简易、古老的表面流动显示技术至今仍广泛应用于风洞试验中[1-4]。

风洞试验中常用的油流法有常规示踪法和荧光示踪法。在国外，关于油流测量的研究较多，其理论基础是油膜方程，此方程最初是由Squire提出[5]；Driver在NASA Ames的多座风洞中进行了油膜试验[6]；Liu和Sullivan于1998年提出了荧光油膜法[7]；2009年Woodiga和Liu运用荧光流动技术对三角翼的摩擦力场进行了测量[8]。在国内，常规油流显示技术已在不同类型风洞试验中得到了应用并取得一定研究成果[9-13]。CARDC中的Φ1 m高超声速风洞于2010年起开始进行常规油流技术研究，研究发现常规油流显示技术在显示模型表面动压较小时，由于涂层粘稠，油膜较厚，会影响油流试验的精度[14]。而荧光示踪法中荧光示踪剂在激发光源照射下，能主动发出与激发光源不同波段的荧光信号，因此可减少涂层粘稠度，且利用辅助荧光信息显示模型表面的流动状况时，具有信噪比高、精度高等优点。在一定条件下，荧光油流法更能直观地展示出模型表面的流动细节，它与常规油流法的差别是光源和示踪剂的参数指标不同。张军强等人进行了荧光油流技术的研究和应用工作，提出了荧光油流摩擦力场测量技术，将荧光油流技术和摩擦力场测量技术结合起来，通过对荧光图像中不同位置的荧光信号的处理可进一步获取模型表面流场的拓扑结构，能实现从定性显示到定量测量的跨越，具有很好的发展前景[15-18]。

为了将荧光油流显示技术应用到Φ1 m高超声速风洞试验中，进一步拓展风洞流动显示能力，进行荧光油流试验技术研究是非常必要的。课题组通过搭建荧光油流试验平台，完成了不同颜色和类型荧光示踪剂的对比试验，筛选出性能可靠的荧光示踪剂，制作了荧光油膜，并成功应用到了风洞试验中，最后对荧光油流图像数据定量化处理进行了研究。

1 荧光油流显示技术简介

荧光油流显示技术是在油膜载体中加入一定浓度的荧光剂作为示踪剂。选用的荧光剂在相应激发光照射下能发出荧光信号。对于荧光剂较稀的油膜，根据Lambert定律有：

式中：A为吸光度；I0为入射光强；I为透射光强；k′为比例系数；h为膜层厚度。

另外由Beer定律有：

式中：k″为比例常数；c为荧光剂浓度。荧光信号F与吸光度A关系如式(3)：

将式(1)和式(2)代入式(3)，则荧光信号F与荧光剂浓度c和油膜厚度h的关系为[19]：

式中：k‴为吸光系数，与荧光剂本身性能有关;k=k′k″k‴为常数，与光源的发光强度、光源和探测器的位置、探测器接受荧光信号的能力、油膜载体吸光能力等因素有关，试验前需进行标定。标定的目的就是找出在现有试验条件下，荧光信号与荧光剂浓度或厚度的关系，通常为线性，然后可根据荧光信号信息推算出油膜厚度信息。比如选用厚度3 mm、浓度0.009%的荧光信号F9作为参考信号，此信号的大小等于厚度9 μm、浓度3%的信号大小。如果测量油膜厚度时选用3%的荧光剂浓度，测得的荧光信号为F，根据式(4)可以得到油膜厚度：

根据式(5)就可以由荧光信号计算出油膜厚度[20]。

根据模型表面油膜的运动情况和厚度信息，以及油膜载体本身的粘度信息就可以定量的计算模型表面的摩擦应力。同时也能较为容易的判断模型表面流场的流态类型，层流或湍流，进而确定转捩点的位置。

荧光剂的浓度可以采用相应的分光光度计测量获得。

2 荧光油流系统搭建

荧光油流系统主要由激发光源、油膜载体、荧光剂和光电探测组成(见图1)。根据系统组成，配置相应的硬件设备，开发了图像数据处理软件。

2.1 激发光源

激发光源是荧光油流系统中的重要组成部分。基本要求为激发光线波长带宽较窄且具有一定能量，能使得油膜载体中荧光示踪剂受激发后发出明显的荧光信号，这是实现荧光油流显示和定量化处理的前提。对激发光源的能量的要求取决于被照模型面积、光源与模型间距离，以及油膜载体和荧光剂的性能。

在实际风洞试验中，油膜厚度很薄，要求激发光能量不小于5 mW/cm2，模型表面的油膜到激发光源的最佳距离为2.5～3 m，受到Φ1 m高超声速风洞环境尺寸的限制，最小距离也需大于1.5 m。从市场上现有的激发光源能量测量结果来看，其能量小，不能满足试验要求，需要自制光源，其光路图见图2。用抛物面反光杯提高激发光源能量利用率，经聚焦镜缩小了光线发射角，通过改变投影镜头焦距可调整照射范围及能量的大小[21]。

2.2 光电探测器

原理性研究试验中选用的是尼康单反相机摄取荧光信号，可根据试验需要选择相应的镜头，及不同程度调节相机的快门速度、光圈、感光度等参数。另外为了防止紫外光的散射以及模型表面反射的紫外光对测量结果的影响，相机镜头配有金莱斯“UV”滤色片。

2.3 油膜载体及荧光剂

油膜载体采用硅油，其粘度和温度有关，在25 ℃时运动粘度为650 mm2/s。准备两种类型的荧光剂：荧光颜料和荧光溶液。荧光颜料有两种颜色：红色和黄色。将荧光剂与油膜载体按照不同配方均匀混合后涂在模型表面，用高压空气喷头对模型表面进行吹风，在激发光源的照射下，获得不同类型、不同浓度和不同颜色的荧光油膜所发出荧光信号的强弱情况。

2.4 试验结果

将荧光剂与硅油载体均匀混合，喷涂在调试平台上，图3为分别在有无激发光照射下荧光油膜的照片。从对比照片中可知，在365 nm激发光照射下，荧光油膜能够发出明亮的荧光信号。

2.4.1 不同颜色荧光油膜对比试验结果

通常相机的CCD靶面对可见光中间部分波段(黄色)比边缘部分波段(红色)敏感，因此在荧光剂浓度较低或油膜厚度很薄的情况下，可见光中间部分波段荧光信号更容易被相机捕获到。所以在荧光剂颜色的选取上，倾向于选取所发出的荧光信号波段接近可见光中间波段(550 nm)的黄色荧光剂。

2.4.2 不同类型荧光油膜对比试验结果

从原理性试验中发现荧光颜料风干速度快，颗粒明显，大大降低了有效试验时间。同时，荧光颜料有较高的着色力，较强的抗褪色性，易污染模型表面，难去除。因此在示踪剂类型的选择上更倾向于采用荧光溶液作为示踪剂。

2.4.3 风洞试验结果

荧光油流显示技术应用于CARDC中的Φ1 m高超声速风洞，已完成了多轮风洞试验的显示任务。其中，在某进气道试验中，试验参数为：来流名义马赫数为6，总压1.91 MPa，总温465 K。进气道的型面是根据气流流线进行设计。采用荧光油流技术显示进气道型面的流动图谱，完成了对进气道型面设计结果的验证工作。从试验结果(见图4)来看，模型为高反光金属材料，在普通光源照射下信噪比低，而在激发光源照射下发出的荧光更能直观地展示出模型表面的流动细节。在另一模型表面流场显示试验中，风洞来流名义马赫数为8，总压5.01 MPa，总温730 K，模型俯仰角为10°，偏航角和滚转角为0°。照片能清晰地显示出模型背风面的流动图谱随风洞时间的变化情况(见图5)，时间间隔为3 s。

3 荧光油流图像数据定量化处理

3.1 荧光灰度值与油膜厚度关系

用量筒取6 mL荧光液、10 mL硅油均匀混合后，在培养皿面积均为6 cm2的三个分区中分别放入1 mL、4 mL、6 mL的荧光油膜，则油膜厚度分别为：0.17 cm、0.67 cm、1.00 cm。图像数据处理的结果表明各分区油膜厚度分布比较均匀(见图6)，0.17 cm、 0.67 cm和1.00 cm厚度油膜对应的平均灰度值分别为16、32和50(见图7)，荧光灰度值与油膜厚度呈正相关关系，函数式为y=40.2370x+7.9882。

图5荧光油流试验2结果图
Fig.5Resultpictureoffluorescence-oil-flowtest2

3.2 荧光灰度值与荧光剂浓度值关系

取体积相同，荧光剂与硅油体积比为10%、20%、30%三种浓度的荧光油膜，分别放于培养皿三个区域中。在激发光源照射下，获取到的荧光图像。通过对荧光图像数据处理后得到不同浓度油膜对应灰度值(见图8)，从结果来看，发现荧光剂浓度-灰度呈正相关关系，函数式为y=0.5000x+7.000。

在荧光油流图像处理中，发现有时油膜在培养皿中存在局部分布不均匀情况，造成了同一区域中灰度值一致性相对差，所以在油膜涂覆于模型表面时，要尽量保证其分布相对均匀性，另外采用拟合法有利于进行测试。

3.3 荧光图像处理结果

图9为文中风洞试验(图5)的部分荧光油流图像处理的结果，图像中的色彩对照表能反应出油膜的厚度变化，其中x、y代表着图像像素点坐标。

图7不同油膜厚度对应灰度值显示
Fig.7Correspondinggreyscalevaluedisplayofdifferentoil-flowthickness

图8不同油膜浓度对应灰度值显示
Fig.8Correspondinggreyscalevaluedisplayofdifferentoil-flowconcentration

图9试验中荧光油流图像处理结果
Fig.9Testfluorescence-oil-flowimagedisposalresults

3.4 讨 论

油流法是一种间接的测量方法，通过显示模型表面油膜的运动现象来反应模型表面的流动特征，方法本身具有一定的近似性和局限性。通常模型表面油膜的厚度在0.06 mm以内，不会对模型的外形尺寸造成大的影响，但会改变模型表面的粗糙度，从而对模型表面的流动状态会产生一些的影响。对于表面比较光滑的模型，油膜对其表面的流动特征的影响较小，相对而言对于表面比较粗糙的模型，油膜对其表面的流动特征的影响较大，测量误差较大，此时的油膜技术主要用于显示模型表面流动图谱和迹线。本文中荧光油流试验主要以显示模型表面的流动迹线为主，且不同配方的油膜粘度不同，对模型表面的流动状态的影响也不同，下一步将在MEMS(微电子机械系统)摩阻测量试验中，详细系统地研究油膜对模型表面流动状况的影响。

4 结束语

荧光油流较常规油流有信噪比高、精度高、获取到信息的细节量多等优点，且具备进行定量化处理的条件。采用荧光图像数据处理方法能有效的分辨油膜厚度的变化，厚度分辨率受到激发光能量以及背景光影响。荧光油膜能满足整个二维面油膜厚度变化测量要求。

由于油的粘性、表面张力、模型表面光滑程度以及试验季节温度等均影响油流图谱的清晰度，因此试验中油膜涂层配制、涂刷方法等技术问题有很大的经验性[1]。在高超声速风洞中，模型表面温度的变化，将影响到油膜的粘度，给试验结果带来一定的误差。风洞现场的杂散光，会对试验结果的精度产生一定影响，在夜间采用高光强分辨的科学级相机会得到较好的试验结果。还需要大量的调试试验和预试验，总结出荧光油膜的配比规律，积累试验数量，使其适应于不同运行参数的风洞试验。

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Applicationsoffluorescence-oil-flowvisualizationtechniqueinhypersonicwindtunneltest

CHEN Lei*,ZHU Tao,XU Yun,JIANG Tao

(ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

The parameters of key components in fluorescence-oil-flow system were analyzed by applying the fluorescence-oil-flow visualization technique inΦ1 m hypersonic wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center (CARDC).A ground debugging test platform was built,the contradistinctive tests were conducted with respect to different colors and types of fluorescent tracers.A credible fluorescence tracer dose was filtrated to produce the fluorescence oil film.The quantificational visualization technique was studied for the fluorescence-oil-flow image.Results show that this technique is capable of extracting the thickness information of fluorescence oil films by dealing with fluorescence signals.

hypersonic wind tunnel; surface flow visualization; fluorescence-oil-flow; oil flow pattern; quantificational visualization technology

0258-1825(2017)06-0817-06

V211.754

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0150

2015-08-10;

2015-10-09

陈磊*(1983-),男，陕西户县人，工程师，研究方向：流动显示与精密测量.E-mail:chenlei1898@163.com

陈磊,朱涛,徐筠,等.荧光油流显示技术在高超声速风洞中的应用[J].空气动力学学报,2017,35(6):817-822.

10.7638/kqdlxxb-2015.0150 CHEN L,ZHU T,XU Y,et al.Applications of fluorescence-oil-flow visualization technique in hypersonic wind tunnel test[J].Acta Aerodynamica Sinica,2017,35(6):817-822.