脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法
【专利摘要】本发明提供一种脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法，该脉冲风洞热流测量系统包括：模型，表面涂有单色温敏材料形成涂层，应用时安装在风洞试验段内；灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射可见光；相机，位于所述模型的一侧，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面光强变化；工作站，与所述相机通信连接，用于存储所述模型表面光强变化，并根据光强变化率与温升之间的关系，将记录的光强变化换算到温度变化，进而计算出热流。本发明通过光学手段可实现模型全表面的热流测量，而无需在模型表面布置热流传感器。
【专利说明】脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风洞热流测量【技术领域】，特别涉及一种基于单色温敏涂层的脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、标定方法。
【背景技术】
[0002]风洞热流测量试验是高超声速飞行器热防护设计中的重要研究手段。脉冲风洞相比于常规高超风洞可以获得更高的来流马赫数和雷诺数，但其缺点是有效试验时间较短(通常为5-50毫秒)，在有效试验时间内获得丰富而准确的热流数据是脉冲风洞测热试验面临的一个难题。
[0003]传统的脉冲风洞热流测量是通过在模型表面布置热流传感器实现，热流传感器的原理是利用金属的热电效应(金属材料受热之后电阻发生改变)将“热信号”转换为“电信号”实现热流的测量。其局限性在于:
[0004]1、由于热流传感器本身具有一定体积和长度(柱状、片状等)，在实际操作中必须考虑在模型表面安装的空间问题，而在模型较薄或狭窄的部位，较难实现传感器的安装和引线。
[0005]2、传感器之间需间隔一定的距离以保证测量精度。
[0006]可见，以上两点缺陷使热流传感器无法实现模型全表面热流数据的测量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的之一在于提供一种基于单色温敏涂层的脉冲风洞热流测量系统、方法，以解决目前的热流传感器无法实现模型全表面热流数据的测量。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种上述脉冲风洞热流测量系统、方法的标定系统、方法，以对其标定。
[0009]为了实现上述目的，本发明提供的脉冲风洞热流测量系统的技术方案为:
[0010]一种脉冲风洞热流测量系统，其包括:模型，表面涂有单色温敏材料形成涂层，应用时安装在风洞试验段内；灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射可见光；相机，位于所述模型的一侧，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面光强变化；工作站，与所述相机通信连接，用于存储所述模型表面光强变化，并根据光强变化率与温升之间的关系，将记录的光强变化换算到温度变化，进而计算出热流。
[0011]优选地，在上述测量系统中，所述灯为紫外灯，且其发出的紫外线中心波长为365nm。
[0012]优选地，在上述测量系统中，所述涂层的厚度为10-20 μ m。
[0013]优选地，在上述测量系统中，所述相机为高速C⑶相机。
[0014]为了实现上述目的，本发明提供的脉冲风洞热流测量方法的技术方案为:
[0015]一种脉冲风洞热流测量方法，其包括以下步骤:在模型表面喷涂单色温敏材料，形成涂层，安装于风洞试验段内；使用光线照射模型表面，为所述涂层提供激发能量使所述涂层辐射单色可见光；采集模型表明图像，并记录模型表面在试验过程中的光强变化；根据光强变化率与温升的关系，反推出模型表面温度的变化，进而计算出吹风过程中模型表面热流的大小。
[0016]优选地，在上述测量方法中，所述光线为紫外线，且其中心波长为365nm。
[0017]优选地，在上述测量方法中，所述模型表面的涂层的厚度为10_20μm。
[0018]优选地，在上述测量方法中，根据光强变化率与温升的关系计算模型表面热流大小时，光强变化率的计算公式为下述公式1，光强变化率与温升的关系为下述公式2:
【权利要求】
1.一种脉冲风洞热流测量系统，其特征在于，包括: 模型，表面涂有单色温敏材料形成涂层，应用时安装在风洞试验段内； 灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射可见光; 相机，位于所述模型的一侧，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面光强变化； 工作站，与所述相机通信连接，用于存储所述模型表面光强变化，并根据光强变化率与温升之间的关系，将记录的光强变化换算到温度变化，进而计算出热流。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述灯为紫外灯，且其发出的紫外线中心波长为365nm。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述涂层的厚度为10-20μ m。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述相机为高速CCD相机。
5.一种脉冲风洞热流测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 在模型表面喷涂单色温敏材料，形成涂层，安装于风洞试验段内； 使用光线照射模型表面，为所述涂层提供激发能量使所述涂层辐射单色可见光； 采集模型表明图像，并记录模型表面在试验过程中的光强变化； 根据光强变化率与温升的关系，根据光强变化反推出模型表面温度的变化，进而计算出吹风过程中模型表面热流的大小。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述光线为紫外线，且其中心波长为365nm。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述模型表面的涂层的厚度为IO-20 u ITio
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，根据光强变化率与温升的关系计算模型表面热流大小时，光强变化率的计算公式为下述公式1，光强变化率与温升的关系为下述公式2:
9.一种用于权利要求1-4任一所述脉冲风洞热流测量系统的标定系统，其特征在于，包括: 标定片，表面涂有单色温敏材料形成涂层；且所述标定片上的涂层与所述模型上的涂层的材料、厚度、粗糙度相同； 加热片，与标定片贴合，用于对标定片加温，加热片温度受温控仪控制； 灯，为所述加热片上的涂层提供激发能量，使其向外辐射可见光；温控仪，与所述加热片连接，用于加热所述标定片至指定温度并将温度数据上传； 相机，位于所述标定片的一侧，用于连续采集所述标定片的图像、记录所述标定片的表面光强变化； 工作站，与所述温控仪、相机连接，当所述温控仪设定一个温度值使所述标定片上的涂层达到相应温度后，所述相机采集此温度下所述标定片的涂层辐射光强，所述工作站借此得到一个温度序列下对应的光强变化率数据，以计算温升分布； 所述灯、相机与所述测量系统中的所述灯、相机参数一致。
10.一种用于权利要求1-4任一所述脉冲风洞热流测量系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤: 在一加热片表面涂有单色温敏材料，形成涂层，所述涂层的材料、厚度、粗糙度和所述模型上的涂层相同； 使用光线照射标定片的涂层，使其向外辐射可见光； 将标定片加热至指定温度并记录温度数据，同时采集此温度下标定片上的涂层辐射光强，针对不同温度重复该过程，得到一个温度序列下的对应的光强变化率； 计算温升分布； 所述光线与所述测量系统中所述灯发出的光线相同，采集标定片上的涂层辐射光强的设备参数与所述测量系统的相机一致。
【文档编号】G01N21/84GK103616156SQ201310676064
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】韩曙光, 毕志献, 伍超华, 宫建, 文帅 申请人:中国航天空气动力技术研究院