[发明专利]一种基于双色成像的全局油膜厚度在线测量方法

说明书

本发明提供一种基于双色成像的全局油膜厚度在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，制备油膜；S2，在不同模型位姿参数条件下进行油膜厚度与吸收率标定试验，建立包含模型位姿参数的油膜厚度与吸收率关系模型；S3，利用所述包含模型位姿参数的油膜厚度与吸收率关系模型求解油膜厚度。本发明通过建立包含模型位姿参数的油膜厚度与吸收率关系模型，能够解决目前全局油膜厚度测量方法存在的问题。

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体而言，涉及一种基于双色成像的全局油膜厚度在线测量方法。

背景技术

摩擦阻力是飞行器飞行时总阻力的重要组成部分，对于现代宽体客机而言，其在巡航飞行时摩阻占总阻力比值接近50%，远超其他阻力项，降低摩阻不仅能提高飞机性能，同时能够极大地降低运营成本；对于高超声速飞行器，其摩阻最大时可占总阻力的50%以上，降低摩阻对于增大飞行器航程和减少表面热流均具有重要意义。准确测量飞行器的摩擦阻力，对于飞行器的减阻研究与设计不可或缺。基于油膜法的摩阻测量技术是一种直接有效的全局摩阻测量技术，具有测量设备简单、空间分辨率高、不干扰流场等优势，并成为摩阻测量领域的研究热点。

油膜法的基础是由Squire建立的油膜方程，其推导过程是将油膜近似为一个二维楔形，结合动量方程和连续性方程，建立起油膜厚度在表面摩擦应力、压力梯度和重力作用下随时间的变化关系如下：

（1.1）

式中h为油膜的厚度，t为时间，X为模型表面坐标，t为表面摩擦应力，m为油膜黏性系数，p为压力，r为油膜密度，g为重力加速度，i为油膜平面坐标轴。可以看出，在式（1.1）的微分方程中，表面摩擦力与油膜厚度的二次方相乘，而压力梯度和重力则是与油膜厚度三次方相乘，通过量纲分析可知，只有在油膜厚度极小时（h≤100mm），压力梯度和重力对油膜厚度的作用相对表面摩擦力而言可以忽略不计，即可忽略式（1.1）的中括号内右边项，得到Tanner和Blows的油膜厚度演化模型：

(1.2)

由式（1.2）可知，要从油膜方程中获得表面摩擦应力，首先需要采集到随时间和空间变化的油膜厚度信息。由于油膜厚度极小，对应的测量信号为一个微弱信号，因此全局油膜厚度在线测量是一个难题。

目前针对油膜厚度测量问题主要有干涉法和荧光法，这两种方法应用在实际风洞试验中均存在一定的局限性。（1）干涉法是一种比较直观的油膜测厚方法，其利用空气/油膜界面和油膜/模型界面的反射光的相互干涉，由干涉图像获取油膜厚度值，在实际应用中，为了获得必要的反射特性，要求实验模型必须具备特殊材质的表面，而一般模型的粗糙物面难以满足其反射特性要求；（2）荧光法是在油膜中加入荧光剂，含有荧光分子的油膜在紫外光的激发下会发出波长更长的荧光信号，在荧光分子浓度恒定且油膜厚度很薄时，荧光强度与油膜厚度近似呈线性关系，通过测量油膜荧光强度来获取油膜厚度信息。由于油膜厚度很薄，为了提高测量灵敏度，须使用高发光效率的荧光材料(如BODIPY材料、UV材料等)，而这类材料在油膜基底（如硅油）中溶解度较低，为了提高荧光油膜的发光效率，需要将荧光材料充分研磨以混合在油膜基底中。受到研磨工艺限制，目前大部分研磨机研磨后的荧光粉直径一般为几个至十几个微米（某些特殊研磨机虽然能达到纳米量级，但荧光材料性质也会发生变化，且此时由于荧光粉颗粒的比表面积增大，在凝聚力作用下颗粒会自发团聚，实际颗粒尺寸一般不小于0.5μm），而模型上油膜喷涂厚度一般为几十个微米，在实际吹风试验中，当油膜被吹薄时会出现荧光粉从油膜中分离析出，导致部分区域内荧光分子浓度减小，使得油膜发光减弱甚至不发光，引起较大油膜厚度测量误差。