黃 輝, 熊 健, 劉 祥, 祝茂林, 李永紅

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000; 2. 南京航空航天大學(xué), 南京 210000)

0 引 言

飛行器飛行過程中，邊界層轉(zhuǎn)捩位置對飛行器的摩阻、表面流態(tài)及飛行性能有很大影響，轉(zhuǎn)捩位置的確定是飛行器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的邊界層轉(zhuǎn)捩測量技術(shù)有萘升華法[1]、油膜干涉法、脈動壓力測量法[2]、熱膜測量法[3]、紅外測量法[4-5]和溫敏漆(TSP)測量法?；谀Ｐ捅砻鏈囟确植嫉募t外測量法和TSP測量法憑借非接觸、全域測量的優(yōu)勢，已得到廣泛應(yīng)用。紅外測量法近年來發(fā)展迅速，但存在空間分辨率低、易受環(huán)境輻射影響的缺點，且在低溫環(huán)境下效果較差。TSP測量法使用高性能相機，可以獲得高分辨率的溫度分布圖像，配合不同工作溫度的TSP涂料，可應(yīng)用于包括低溫風(fēng)洞在內(nèi)的各類風(fēng)洞。

到20世紀(jì)90年代，隨著涂料、圖像采集和校準(zhǔn)技術(shù)的逐漸成熟，歐美各國的相關(guān)科研機構(gòu)開始將TSP技術(shù)廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)捩測量，取得了良好的應(yīng)用效果。Daisuke等在空客的BLSWT風(fēng)洞中成功應(yīng)用TSP開展螺旋槳葉片的轉(zhuǎn)捩測量試驗[6]。Fey與Engler等在ETW低溫風(fēng)洞建立了TSP轉(zhuǎn)捩測量技術(shù)[7-9]，通過對氣流總溫的控制快速建立氣流與模型的溫差，開發(fā)出含2種溫敏探針分子的cryoTSP，工作溫度可覆蓋110～300K。Christian等研制成功含碳納米管的涂層，通電后可用于TSP加熱，在DNW-HDG風(fēng)洞和DNW-KKK風(fēng)洞開展了轉(zhuǎn)捩測量試驗[10]。Costantini等在DNW-KRG低溫風(fēng)洞開展了無隔熱涂層的溫敏漆轉(zhuǎn)捩測量研究[11]。Amanda等在Boeing/AFOSRMa6靜音風(fēng)洞中利用TSP開展了噪聲對轉(zhuǎn)捩影響的研究[12]。國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，但也開展了大量研究工作。長春理工大學(xué)及中國科學(xué)院化學(xué)研究所對TSP探針分子及其特性進行了深入研究[13-14]。張扣立等基于溫敏漆技術(shù)及薄膜熱流傳感器技術(shù)，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心0.6m激波風(fēng)洞開展了平板模型高超聲速轉(zhuǎn)捩測量試驗研究[15]。尚金奎等以ARJ-4模型為研究對象，在中國航空工業(yè)空氣動力研究院FL-3風(fēng)洞開展了轉(zhuǎn)捩測量試驗，對比了不同馬赫數(shù)及模型迎角條件下的轉(zhuǎn)捩測量結(jié)果[16]。從國內(nèi)外文獻來看，目前TSP轉(zhuǎn)捩測量技術(shù)主要應(yīng)用于機翼、旋翼、螺旋槳葉片等簡單外形，對于復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)，需要綜合應(yīng)用多種轉(zhuǎn)捩測量手段進行相互驗證，以排除干擾因素的影響。TSP涂料會改變模型外形和表面粗糙度，為降低涂料對試驗結(jié)果的影響，需要嚴(yán)格控制涂料厚度和粗糙度。

獲取模型表面溫度分布圖像后，需定量給出整體或部分區(qū)域的轉(zhuǎn)捩位置。傳統(tǒng)方法是人工觀測，缺點是：易引入主觀誤差；在受到橫向流污染的環(huán)境中轉(zhuǎn)捩區(qū)域呈鋸齒狀，模型表面凸起物也會導(dǎo)致強制轉(zhuǎn)捩，人工解讀圖像時需要從干擾中識別出轉(zhuǎn)捩位置，通常結(jié)果精度較低；對于大量的圖像數(shù)據(jù)，分析極其耗時。針對上述缺陷，提出一種基于溫度梯度的轉(zhuǎn)捩位置自動判別算法，以自然層流翼型為研究對象，開展了TSP轉(zhuǎn)捩測量試驗，并將該算法應(yīng)用于溫度分布圖像的分析，驗證算法的有效性及魯棒性。

1 TSP技術(shù)

TSP由聚合物功能層和基底反射層兩部分組成。聚合物功能層是含溫敏探針分子的工作層，噴涂于基底反射層表面；基底反射層通常為含環(huán)氧樹脂和二氧化鈦的白色底漆，噴涂于模型表面，起到提高模型表面粘結(jié)性、增強探針分子發(fā)光強度及熱隔離的作用。探針分子受到一定波長的光激發(fā)后，會發(fā)射出特定波長的熒光，探針分子的發(fā)光量子效率隨溫度升高而降低，這種與溫度相關(guān)的效應(yīng)就是熱猝滅，是TSP的主要工作原理。光強和溫度之間的關(guān)系可以用阿列紐斯(Arrhenius)公式來描述，在工程應(yīng)用中，通?；谑?1)進行TSP校準(zhǔn)數(shù)據(jù)擬合，常選用二次多項式形式的函數(shù)。

(1)

TSP噴涂時，同時完成模型和校準(zhǔn)樣片的噴涂。校準(zhǔn)時，將校準(zhǔn)樣片放置于校準(zhǔn)腔內(nèi)，控制校準(zhǔn)腔壓力和溫度，開啟激發(fā)光源，采集不同條件下樣片的光強，得到不同壓力條件下I/Iref與溫度的曲線[17]，其中Iref一般為常溫(Tref)常壓狀態(tài)下的光強。本試驗中使用的TSP涂料由中科院化學(xué)所提供，探針分子為Eu有機配合物，激發(fā)波長為380～520nm，輻射熒光峰值波長為615nm，溫度靈敏度為1.8%/℃，壓力靈敏度0.012%/kPa，樣片校準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 TSP校準(zhǔn)曲線

由校準(zhǔn)參數(shù)計算得到模型溫度分布后，可根據(jù)溫度分布確定轉(zhuǎn)捩位置，原理如圖2所示，氣流轉(zhuǎn)捩前層流區(qū)熱導(dǎo)率小于轉(zhuǎn)捩后湍流區(qū)熱導(dǎo)率，由于熱導(dǎo)率的差異，層流區(qū)與湍流區(qū)之間會產(chǎn)生溫差。假設(shè)試驗前模型表面溫度均勻一致，由于層流區(qū)熱導(dǎo)率小于湍流區(qū)熱導(dǎo)率，當(dāng)模型表面溫度高于氣流溫度，層流區(qū)溫度高于湍流區(qū)溫度；當(dāng)模型表面溫度低于氣流溫度，層流區(qū)溫度低于湍流區(qū)溫度。模型表面與TSP功能層之間的底漆為絕熱涂層，熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)小于模型的不銹鋼材料，沿厚度方向的傳熱較小，因此模型內(nèi)部傳熱對表面對流換熱所致的溫度梯度影響可以忽略。

圖2 基于溫度分布的轉(zhuǎn)捩測量原理

Fig.2Principleofthetransitiondetectionbasedontemperaturedistribution

2 試驗裝置和方法

2.1 風(fēng)洞與試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心0.6m跨超聲速風(fēng)洞進行，試驗段橫截面0.6m×0.6m，長1.775m，馬赫數(shù)范圍為0.4～3.5。試驗?zāi)Ｐ陀勺匀粚恿饕硇蚏AE5243優(yōu)化而成，相對厚度為11%，后掠角20°，弦長200mm。模型包括基本外形和有激波控制鼓包的鼓包外形，通過中部可拆卸部分實現(xiàn)外形的轉(zhuǎn)換。模型在展向50%位置順流向布置了測壓點，見圖3。試驗?zāi)康氖谦@取基本外形和鼓包外形的轉(zhuǎn)捩位置，驗證轉(zhuǎn)捩位置自動判定算法，對比轉(zhuǎn)捩位置變化情況，并與CFD結(jié)果進行對比，檢驗數(shù)值模擬方法。

圖3 基本外形與鼓包外形

Fig.3Baselineconfigurationandtheconfigurationwithshockcontrolbump

模型通過左右支板兩端支撐，左右支板與左右轉(zhuǎn)窗通過螺釘、銷連接，光源及相機安裝于上壁板開孔處，如圖4所示。

圖4 模型及測量設(shè)備

2.2 TSP測量系統(tǒng)

TSP試驗使用的光學(xué)測量系統(tǒng)包括LED光源、科學(xué)級彩色CCD相機、同步脈沖發(fā)生器及相關(guān)配件。LED光源功率為12W，發(fā)光主峰400nm；彩色CCD相機位深為14位，分辨率為1600pixel×1200pixel，帶背板制冷，可有效減少熱噪聲，為濾除激發(fā)光及環(huán)境光，鏡頭前加裝了長通濾光片；光源與相機曝光時序通過脈沖發(fā)生器控制。

2.3 試驗流程及數(shù)據(jù)處理

由基于溫度分布的轉(zhuǎn)捩測量原理可知，氣流與模型溫差越大，層流區(qū)與湍流區(qū)溫度梯度越顯著，因此試驗前使用紅外燈加熱模型表面TSP。圖像采集流程：試驗前，關(guān)光源，采集背景圖像(Ibkg_p)，開光源，采集基準(zhǔn)圖像(Iwindoff)；試驗過程中，關(guān)光源，采集背景圖像(Ibkg_on)，開光源，采集試驗圖像(Iwindon)。各狀態(tài)圖像均采用多幅平均進行降噪。模型采用兩側(cè)轉(zhuǎn)窗固定，試驗中模型變形可以忽略，因此不需圖像配準(zhǔn)，光強比圖像計算可簡化為式(2)，再根據(jù)校準(zhǔn)參數(shù)即可得到溫度分布圖像。

(2)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型溫度分布圖像

圖5為各試驗條件下模型表面溫度分布圖像，氣流方向由左往右，測壓孔剖面位于中間。各圖層流區(qū)與湍流區(qū)溫度梯度顯著，轉(zhuǎn)捩區(qū)域清晰，僅圖5(e)由于試驗前未加熱模型，溫度梯度偏小，但轉(zhuǎn)捩區(qū)域依然可辨。由于紅外燈加熱模型無法精確測量與控制溫度，再加上采集時間距風(fēng)洞啟動時間不同，導(dǎo)致各圖的溫度區(qū)間存在差異。受模型表面雜質(zhì)的影響，模型表面可觀察到尖劈狀楔形湍流區(qū)，圖像中部測壓孔附近發(fā)生了顯著的強制轉(zhuǎn)捩。

對比重復(fù)性結(jié)果，基本外形結(jié)果如圖5(a)和(b)所示，鼓包外形如圖5(d)和(e)所示，層流區(qū)與湍流區(qū)邊界分布一致，楔形湍流區(qū)位置一致。由于基本外形上半部分的噴涂質(zhì)量相對于下半部分更好，所以上半部分的轉(zhuǎn)捩區(qū)域相對于下半部分更平整，但Ma0.75時上半部分也開始出現(xiàn)楔形湍流區(qū)。鼓包外形在Ma0.73和Ma0.75的楔形湍流區(qū)存在細(xì)微差異。直觀來看，相同外形條件下，Ma0.75的轉(zhuǎn)捩區(qū)域相對Ma0.73向后緣移動。相同馬赫數(shù)條件下，鼓包外形的轉(zhuǎn)捩區(qū)域相對基本外形存在更多鋸齒，轉(zhuǎn)捩區(qū)域向后緣移動。

3.2 轉(zhuǎn)捩位置自動判定算法

轉(zhuǎn)捩位置判定基于溫度圖像的梯度分布，自動判定算法包括圖像預(yù)處理、轉(zhuǎn)捩點預(yù)測與篩選、轉(zhuǎn)捩位置計算3個部分。

(1) 圖像預(yù)處理包括：(a) 無數(shù)據(jù)區(qū)域插值。對圖像測壓孔及安裝孔無數(shù)據(jù)區(qū)域進行雙線性插值；(b) 圖像旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時以測壓孔所在剖面與來流方向(x軸方向)一致為目標(biāo)；(c) 高斯濾波。濾波降噪會濾除小尺度特征，使圖像模糊，但轉(zhuǎn)捩區(qū)域?qū)儆诖蟪叨忍卣?，受影響小，且后續(xù)處理中的Sobel濾波對高頻噪聲敏感，而高斯濾波可有效抑制高頻噪聲；(d) 直方圖均衡，突出轉(zhuǎn)捩區(qū)域特征，利于轉(zhuǎn)捩點定位。圖5為圖像預(yù)處理后的結(jié)果，圖像旋轉(zhuǎn)角度為3.45°，高斯濾波窗尺寸為9×9，標(biāo)準(zhǔn)差為6，直方圖均衡為線性拉伸。

圖5 溫度分布圖像

(2) 轉(zhuǎn)捩點預(yù)測與篩選。首先使用Sobel濾波核對圖像進行濾波，濾波核Gx如式(3)所示，得到沿流向的溫度梯度分布圖像gradx，定位gradx每個剖面的最大峰值作為轉(zhuǎn)捩點。然后對轉(zhuǎn)捩點進行篩選，剔除受干擾導(dǎo)致定位異常的轉(zhuǎn)捩點，這類轉(zhuǎn)捩點一般分布于測量區(qū)域邊緣或強制轉(zhuǎn)捩區(qū)域，特點是不連續(xù)，孤立點較多?；谵D(zhuǎn)捩區(qū)域連續(xù)性及與氣流方向的夾角應(yīng)大于一定角度這一原則，提出以下篩選方法：計算任意轉(zhuǎn)捩點A與其他轉(zhuǎn)捩點B的連線與氣流方向的夾角α；當(dāng)|α|<αT時，可認(rèn)為B為疑似轉(zhuǎn)捩點，將AB連線的弦向分量長度作為疑似轉(zhuǎn)捩點B的懲罰因子P累加；循環(huán)所有轉(zhuǎn)捩點，得到所有轉(zhuǎn)捩點最終的懲罰因子，將P

(3)

(3) 轉(zhuǎn)捩位置計算。圖6為測壓孔弦向相對位置和TSP圖像中像素位置的曲線，線性擬合后最大誤差為0.01c(c為弦長)，因此可忽略相機二維投影成像引入的誤差，直接根據(jù)像素位置換算。

圖6 測壓孔位置擬合曲線

由于各剖面轉(zhuǎn)捩點分布于一定區(qū)間，需要運用統(tǒng)計方法給出整個測量區(qū)域的轉(zhuǎn)捩位置。采用計算轉(zhuǎn)捩點位置概率密度分布的方式，得到轉(zhuǎn)捩點分布情況，將概率密度峰值位置作為測量區(qū)域的轉(zhuǎn)捩位置。對于分布函數(shù)未知的轉(zhuǎn)捩點位置，常使用核函數(shù)估計概率密度函數(shù)，如式(4)所示。

(4)

其中xi為轉(zhuǎn)捩點位置數(shù)據(jù)，n為數(shù)據(jù)個數(shù)，h為窗寬，核函數(shù)K使用高斯分布函數(shù)，如式(5)所示。

(5)

圖7和8分別為基本外形(見圖5(a))和鼓包外形(見圖5(d))的轉(zhuǎn)捩點定位結(jié)果及轉(zhuǎn)捩點位置的概率密度分布。如圖7(a)所示，基本外形上半部分轉(zhuǎn)捩點連續(xù)性較好，而下半部分受楔形湍流區(qū)的影響，轉(zhuǎn)捩點分布區(qū)間較大，經(jīng)過轉(zhuǎn)捩點篩選后，如圖7(b)所示，大部分錯誤點被剔除，圖7(c)峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)捩位置為0.605c。如圖8所示，對比基本外形，鼓包外形轉(zhuǎn)捩點分布區(qū)間擴大，大量轉(zhuǎn)捩點后移，圖8(c)峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)捩位置為0.628c。

圖7 基本外形轉(zhuǎn)捩位置 (Ma=0.73, α=0°)

圖8 鼓包外形轉(zhuǎn)捩位置 (Ma=0.73, α=0°)

表1為圖5中各圖的轉(zhuǎn)捩位置判定結(jié)果。為驗證算法的魯棒性，分別選擇模型上半部分、下半部分及全部測量區(qū)域進行轉(zhuǎn)捩位置判定，各圖3個區(qū)域的轉(zhuǎn)捩位置定位結(jié)果基本一致，相差小于0.01c。各圖對比以全部測量區(qū)域結(jié)果為準(zhǔn)。

基本外形和鼓包外形重復(fù)性試驗的轉(zhuǎn)捩位置基本一致，相差0.001c。相同外形條件下，Ma0.75的轉(zhuǎn)捩區(qū)域相對Ma0.73向后緣移動，基本外形后移0.013c，鼓包外形后移0.020c。相同馬赫數(shù)條件下，鼓包外形的轉(zhuǎn)捩位置相對基本外形向后緣移動，Ma0.73時后移0.023c，Ma0.75時后移0.030c。上述定量分析結(jié)果與圖5觀察結(jié)果趨勢一致，驗證了算法的有效性。

如圖9所示，TSP與CFD結(jié)果的轉(zhuǎn)捩位置吻合較好，TSP轉(zhuǎn)捩位置稍微靠后。CFD結(jié)果的雷諾數(shù)為2.57×106，與風(fēng)洞試驗雷諾數(shù)相近。CFD結(jié)果為突然轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩區(qū)域很小，基本外形近似為一條直線，鼓包外形呈鋸齒狀線條，而TSP結(jié)果有較寬的轉(zhuǎn)捩區(qū)域。TSP與CFD結(jié)果對比見表1，CFD結(jié)果隨馬赫數(shù)和外形的變化趨勢與TSP結(jié)果一致，基本外形最大相差0.048c，鼓包外形最大相差0.018c。

表1 轉(zhuǎn)捩位置判定結(jié)果Table 1 Transition positioning result

圖9 TSP與CFD轉(zhuǎn)捩位置對比(Ma=0.73, α=0°)

Fig.9TransitionlocationscomparisonbetweenTSPandCFD(Ma=0.73,α=0°)

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用TSP技術(shù)實現(xiàn)了基本外形與鼓包外形的轉(zhuǎn)捩位置測量，通過模型表面溫度分布定性分析了轉(zhuǎn)捩位置。運用基于溫度梯度分布的轉(zhuǎn)捩位置自動判別算法，定量對比分析了重復(fù)性試驗結(jié)果、基本外形與鼓包外形轉(zhuǎn)捩位置的差異及轉(zhuǎn)捩位置隨馬赫數(shù)的變化情況，驗證了算法的有效性及魯棒性。TSP結(jié)果與CFD結(jié)果吻合較好，變化趨勢一致。

基于TSP的轉(zhuǎn)捩測量技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，后續(xù)需在TSP探針、噴涂工藝和圖像后處理等方面加強研究。