基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法與流程

本發明涉及一種用于測量激波作用下超聲速氣膜冷卻主流和冷卻流相互混合增強作用的方法，特別是關于一種在高溫超聲速氣流中存在激波入射的基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法。

背景技術：

氣膜冷卻的基本原理是指沿壁面切線方向或以一定的入射角射入冷卻氣體，形成一層貼近受保護壁面的緩沖冷卻氣膜，用以將壁面與高溫氣體環境隔離，從而對壁面進行有效地熱防護和化學防護。目前已成為很多場合高溫部件的冷卻措施，如高溫透平葉片、燃燒室等。自上世紀70年代氣膜冷卻被作為航空燃氣輪機的一種冷卻方法使用以來，關于氣膜冷卻的研究報告一直層出不窮，然而已有的研究主要側重于亞聲速氣膜冷卻，對超聲速氣膜冷卻的研究相對欠缺。

超聲速氣膜冷卻與亞聲速情況下的氣膜冷卻存在差別，原因主要在于一方面超聲速情況下氣體可壓縮的影響表現得更加明顯；另一方面在超聲速流場中，常常伴隨著激波的出現，激波入射氣膜邊界層往往對超聲速氣膜冷卻造成影響。研究激波作用對冷卻效果的影響成為超聲速氣膜冷卻研究中一個不可缺少的組成部分。激波破壞超聲速氣膜冷卻的機理主要在于：一方面激波入射使壁面處壓力升高，從而導致冷卻氣體邊界層流體馬赫數降低，絕熱壁面溫度升高；另一方面在強激波入射或者冷卻氣體為分子量輕的氣體時，激波的入射能很明顯地增強主流和冷卻流的混合，從而也導致冷卻效率下降。其中，第一方面的原因可以通過實驗測量壁面處壓力和速度場分布得到，并且已被很多學者證實；然而第二方面的原因目前主要通過數值模擬分析得到，實驗中不容易觀測得到，并且缺乏非接觸的全場測量數據。

綜上，上述的激波作用的第二方面機理在其破壞超聲速氣膜冷卻的作用中到底扮演多大的份量，迫切需要通過實驗測量得到的是在激波的作用下冷卻氣體和主流氣體摻混有沒有得到加強以及增強的份額有多大，因此需要測量壁面處氣體濃度的分布。但是，如果采用取樣測量等方法，對于超聲速流場而言，即便是微細的測量管的引入也將不可避免地引起流場的變化尤其是將產生新的激波，從而將對原有的流場造成影響，其次取樣測量只能測量局部幾個點的數據，無法做到全場測量。因而亟需研究出非接觸式的測量方法對激波作用下的壁面處的氣體濃度分布進行測量。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠通過非接觸式測量方法對激波作用下的壁面處的氣體濃度分布進行測量的基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法，包括以下內容：A)在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體和主流氣體都采用空氣，采用壓力敏感漆技術測量壁面氧分壓的分布，得到由于激波作用，此時該區域本身壓力升高造成氧分壓升高的量；B)在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體采用氮氣，主流氣體采用空氣，采用壓力敏感漆技術測量壁面氧分壓的分布，獲得此時該區域氧分壓升高的量；C)將所述步驟B)得到的氧分壓升高的量去掉所述步驟A)獲得的氧分壓升高的量，得到在激波作用下，主流氣體和冷卻氣體的摻混增強導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量。

進一步地，通過一試驗裝置進行實驗獲得主流氣體和冷卻氣體的摻混增強導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量，具體實驗過程為：1)試驗裝置包括待測試高溫部件，待測試高溫部件從上到下依次設置有主流通道和超聲速氣膜冷卻流通道和受保護壁面，超聲速氣膜冷卻流通道內設置有冷卻流噴嘴，超聲速氣膜冷卻流通道通過管路并聯連接位于待測試高溫部件外側的空氣氣源和氮氣氣源，位于待測試高溫部件的正上方固定設置有用于進行數據采集的相機；2)將受保護壁面噴涂壓力敏感漆；3)分別開展兩組對比實驗：①主流氣體和冷卻氣體均為空氣的實驗：a、在與受保護壁面相對的待測試高溫部件的另一壁面安裝激波發生器，打開空氣氣源，關閉氮氣氣源，空氣經超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內，對受保護壁面進行保護，此時相機拍攝激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；b、拆卸掉激波發生器，打開空氣氣源，關閉氮氣氣源，空氣經超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內，對受保護壁面進行保護，此時通過相機拍攝無激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；②主流為空氣，冷卻流為氮氣的實驗：a、在與受保護壁面相對的待測試高溫部件的另一壁面安裝激波發生器，關閉空氣氣源，打開氮氣氣源，氮氣經超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內，對受保護壁面進行保護，此時相機拍攝激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；b、拆卸掉激波發生器，關閉空氣氣源，打開氮氣氣源，氮氣經超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內，對受保護壁面進行保護，此時相機拍攝無激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；

4)對得到的兩組實驗數據進行比對和分析，獲得：激波作用下由于流體壓力本身變化導致的氧氣分壓力變化的數據；以及激波作用下由于流體壓力本身變化以及流體混合增強雙重作用下的氧氣分壓力變化的數據；5)通過比對上述兩組數據，去掉由于流體壓力本身變化導致的氧氣分壓力變化的影響后，得到由于主流氣體和冷卻流氣體的摻混增強導致壁面處氧氣分壓力變化的數據。

進一步地，所述實驗數據為受保護壁面壓力敏感漆的光強數據，實驗前通過一組標定實驗得到的光強和壓力值的關系曲線，從而得出受保護壁面處的氧氣壓力變化的數據。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：本發明可以通過非接觸式測量方法對激波作用下的超聲速氣膜冷卻進行實驗研究，并且可以方便的實現對于全場的測量，獲得激波作用下冷熱流體混合增強的作用機理，從而可以定量分析激波對于主流和冷卻流的摻混增強作用的程度有多大，激波破壞氣膜冷卻效率的第二個機理扮演的份額。

附圖說明

圖1為本發明具體實施例中試驗裝置結構示意圖；

圖2是圖1的部分放大示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。

壓力敏感漆技術是上世紀90年代發展起來的一種基于氣體分壓影響光敏感漆對特定入射光反射強度的技術，通過實驗表明可以用于測量氣膜冷卻效果分布。在壓力敏感漆技術的測量中，一般冷卻氣體采用氮氣，主流氣體采用空氣，在氣膜冷卻保護區域，冷卻效果與保護氣體中氮氣占的比例有關，反過來即與氣膜冷卻保護區域各位置的空氣含量有關。實驗表明光敏感漆可以反映出各點氧分壓的大小，即空氣含量的多少，從而能夠得到氣膜冷卻效率的分布。

在低速情況下開展試驗，一般試驗表面的壓力分布比較均勻，相差不大，因而可以通過光敏感漆反映出的氧分壓大小來等效于質量濃度的分布。但是對于超聲速氣膜冷卻流場而言，在激波作用下，激波作用區域的壓力相對沒有激波作用的時候會有較大幅度的升高。因而在激波作用情況下，采用壓力敏感漆技術測量超聲速氣膜冷卻中壁面處的氧分壓時，此時的氧分壓由兩部分構成：

1、由于激波的作用，該區域本身的壓力升高造成氧分壓的升高；

2、由于主流和冷卻流的摻混導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高。

本發明側重由于第2個原因(由于主流和冷卻流的摻混導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高)引起氧分壓升高的量，從而得到激波對主流和冷卻流的摻混增強程度有多大，所以需要摒棄掉第1個原因造成的氧分壓升高的量，本發明的基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法，具體實現過程為：

1、在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體和主流氣體都采用空氣，采用壓力敏感漆技術測量壁面氧分壓的分布，得到由于激波的作用，此時該區域本身的壓力升高造成氧分壓升高的量。

由于主流氣體和冷卻氣體都是空氣，氧氣在各個地方分布的濃度都相同，因而試驗測量后，對比有激波和無激波作用的時候，壁面的氧氣分壓的變化就得到由于第1個原因對于壁面氧氣分壓的影響。

2、在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體采用氮氣，主流氣體采用空氣，此時采用壓力敏感漆技術測量壁面氧分壓的分布，獲得此時該區域氧分壓升高的量。此時得到的氧分壓升高的量是由于第1個原因和第2個原因同時作用造成的。

3、將步驟2得到的氧分壓升高的量去掉步驟1獲得的氧分壓升高的量，得到在激波作用下，主流氣體和冷卻氣體的摻混增強導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量。由于通過第1組試驗已經獲得了第1個原因的影響規律，因而去掉第1個原因的影響后，就可以得到主流氣體和冷卻氣體的摻混增強導致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高的量，從而得到激波對主流氣體和冷卻氣體的摻混增強程度有多大。

下面結合具體實施例詳細說明本發明基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法，具體過程為：

如圖1、圖2所示，本發明實施例設置一基于壓力敏感漆測量的試驗裝置，包括一待測試高溫部件1，待測試高溫部件1從上到下依次設置有主流通道3和超聲速氣膜冷卻流通道4和受保護壁面2，超聲速氣膜冷卻流通道4內設置有冷卻流噴嘴5，超聲速氣膜冷卻通道4通過管路并聯連接位于待測試高溫部件1外側的空氣氣源6和氮氣氣源7，位于待測試高溫部件1的正上方固定設置有用于進行數據采集的相機8，用于對待測試高溫部件1內的實驗數據進行采集。

超聲速流場中，正常情況下，當高溫主流9流入主流通道3后，通過超聲速氣膜冷卻流通道4引入冷卻流體經冷卻流噴嘴5噴入冷卻氣體對受保護壁面2進行熱保護；高溫主流9流體遇到激波發生器后，將誘發產生一道激波，激波將橫貫流場最終作用在受保護壁面2附近的冷卻氣體邊界層，進而對超聲速氣膜冷卻造成影響。

基于上述試驗裝置，本發明的基于壓力敏感漆測量激波增強超聲速氣膜流體混合的方法的實現過程為：

1)將受保護壁面2噴涂上壓力敏感漆10；

2)分別開展兩組對比實驗：

①主流氣體和冷卻氣體均為空氣的實驗：

a、在與受保護壁面2相對的待測試高溫部件1的另一壁面安裝激波發生器11，打開空氣氣源6，關閉氮氣氣源7，空氣經超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內，對受保護壁面2進行保護，此時相機8拍攝激波作用下受保護壁面2上壓力敏感漆的實驗數據，其中，實驗數據為受保護壁面壓力敏感漆的光強數據，實驗前通過一組標定實驗得到的光強和壓力值的關系曲線，從而可以得出受保護壁面處的氧氣分壓分布數據；

b、拆卸掉激波發生器11，打開空氣氣源6，關閉氮氣氣源7，空氣經超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內，對受保護壁面2進行保護，此時通過相機8拍攝無激波作用下受保護壁面2上壓力敏感漆的實驗數據；

②主流氣體為空氣，冷卻氣體為氮氣的實驗：

a、在與受保護壁面2相對的待測試高溫部件1的另一壁面安裝激波發生器11，關閉空氣氣源6，打開氮氣氣源7，氮氣經超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內，對受保護壁面2進行保護，此時相機8拍攝激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；

b、拆卸掉激波發生器11，關閉空氣氣源6，打開氮氣氣源7，氮氣經超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內，對受保護壁面進行保護，此時相機8拍攝無激波作用下受保護壁面上壓力敏感漆的實驗數據；

3)對上述得到的兩組實驗數據進行比對和分析，可以獲得：

激波作用下由于流體壓力本身變化導致的氧氣分壓力變化的數據；

激波作用下由于流體壓力本身變化以及流體混合增強雙重作用下的氧氣分壓力變化的數據。

4)通過比對上述兩組數據，去掉由于流體壓力本身變化導致的氧氣分壓力變化的影響后，就可以得到在激波作用下，由于主流氣體和冷卻氣體的摻混增強導致壁面處氧氣分壓力變化的數據，從而得到激波對主流和冷卻流的摻混增強程度。

上述各實施例僅用于說明本發明，其中方法的各實施步驟都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。