CC BY
138
Том XXXVIII
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 200 7
№ 1 — 2
УДК 533.6.071.08:536.5/.6 533.6.071.082.5
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ТРУБАХ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ С ПОМОЩЬЮ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
В. Е. МОШАРОВ, В. Н. РАДЧЕНКО
Представлена методика измерения полей тепловых потоков с помощью люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ) — красок, интенсивность люминесценции которых зависит от температуры. Эксперименты проводились на модели затупленного конуса (радиус затупления 10 мм, полуугол раствора 10°) в аэродинамической трубе УТ-1М (ЦАГИ), работающей по схеме трубы Людвига при числе Маха М = 6 и продолжительности пуска до 40 мс. Числа Рейнольдса, рассчитанные по радиусу затупления конуса, изменялись в диапазоне от 60 000 до 210 000.
Разработка гиперзвуковых летательных аппаратов требует данных о величине тепловых потоков. Некоторые данные могут быть получены из испытаний в ударных трубах и трубах Людвига. Эти трубы имеют широкие экспериментальные возможности, и они дешевле в эксплуатации, чем газгольдерные установки. Однако небольшое время существования стабильного потока (40 мс для трубы ЦАГИ УТ-1М, работающей по схеме Людвига) создает дополнительные трудности при проведении измерений.
Для исследования распределения тепловых потоков в арсенале экспериментальной аэродинамики есть такие методы, как термоиндикаторы плавления [1], жидкие кристаллы, люминофорная термография [2, 3], тепловидение. Все эти методы, за исключением
тепловидения, предполагают нанесение на модель покрытия значительной толщины (более 10 мкм), что делает их малопригодными для труб кратковременного действия. Тепловизионный метод имеет хорошие перспективы для исследования тепловых потоков, в том числе и в установках кратковременного действия, однако сегодня скоростные тепловизоры еще очень дороги и имеют плохое пространственное разрешение.
При использовании метода люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ) модель также покрывается слоем измерительной краски, но краски люминесцентной, что делает возможным использовать тонкие, микронные слои. Интенсивность люминесценции ЛПТ-покрытия при освещении возбуждающим излучением зависит от температуры и не зависит от давления. Импульсное освещение позволяет измерять мгновенное распределение температуры окрашенной поверхности в потоке. Для этого необходимо зарегистрировать (например, с помощью ПЗС-камеры) два распределения интенсивности ЛПТ-покрытия: одно — в потоке на исследуемом режиме (рабочее изображение), другое — при известной температуре без потока (опорное изображение). Отношение интенсивностей рабочего и опорного изображений не зависит ни от толщины покрытия, ни от интенсивности возбуждающего излучения и определяется только температурой (при условии, что интенсивность возбуждающего света в потоке и без потока в каждой точке покрытия была одной и той же). Температура на поверхности находится по градуировочной характеристике покрытия, которая измеряется в лаборатории на образце покрытия, изготовленном одновременно с напылением модели.
В реальном эксперименте модель может деформироваться или смещаться, кроме того, лампа-вспышка дает каждый раз разное поле освещенности, и все это приводит к появлению
значительных погрешностей. Существенно улучшить ситуацию может двухцветный ЛПТ, который содержит два люминофора: активный и опорный. Активный люминофор чувствителен к температуре, а опорный - температуру не чувствует и люминесцирует с интенсивностью, прямо пропорциональной возбуждению. Оба люминофора возбуждаются излучением одной длины волны,
но люминесцируют в разных спектральных областях, что необходимо для раздельной регистрации двух изображений. Если интенсивности активного и опорного люминофоров регистрируются одновременно, то на результат измерения не влияет изменение интенсивности возбуждающего излучения в процессе эксперимента, независимо от того, вызвано оно деформацией модели или нестабильностью источника излучения.
Важным преимуществом ЛПТ является то, что информация о теплообмене на всей наблюдаемой поверхности может быть получена одномоментно. В случае же использования плавящихся термоиндикаторов необходимо большое число кадров, зависящее от числа уровней теплового потока, которые желательно получить. В отличие от термоиндикаторов плавления ЛПТ не поглощают энергию для фазового перехода и могут иметь небольшую толщину, что также снижает их теплоемкость и позволяет использовать их в трубах кратковременного действия. И, наконец, ЛПТ являются обратимым датчиком, т. е. достаточно только один раз нанести краску ЛПТ для всего цикла тепловых испытаний модели.
Первые ЛПТ были разработаны в ЦАГИ в конце 80-х годов. Тогда же и были предприняты попытки их использования для измерения тепловых потоков. В то время еще не было прецизионных цифровых видеокамер, и точное измерение полей интенсивности света было очень трудоемким процессом. Вторично интерес к данному методу возник в ЦАГИ несколько лет назад,
и толчком к этому послужили аналогичные работы в центре NASA-Langley [2, 3], а предпосылками — развитие цифровой техники и трудоемкость эксперимента с термоиндикаторами плавления, а также невозможность использования термоиндикаторов плавления в ударной трубе.
1. Техника эксперимента. В настоящей работе применялся ЛПТ на основе молекул комплекса европия и эпоксидного полимера, а в качестве опорного люминофора использовался кумариновый краситель. Оба люминофора возбуждаются ультрафиолетовым излучением в спектральном диапазоне 280—390 нм, при этом интенсивность люминесценции молекул комплекса европия красного цвета (580—630 нм) зависит от температуры, а синяя люминесценция молекул кумаринового красителя (420—500 нм) от температуры не зависит (рис. 1). Интенсивность излучаемого красного света уменьшается с ростом температуры со скоростью 3—5%/Х (рис. 2) и
совершенно нечувствительна к давлению. ЛПТ оптимизирован на температурный диапазон 10—60°С, а при температуре более 120°С происходит разрушение ЛПТ.
В качестве модели для испытаний был выбран затупленный конус (радиус затупления 10 мм, полуугол раствора 10°). Эта модель хорошо исследована с помощью микрокалориметров и численно [4].
700, нм
Рис. 1. Спектры возбуждения и флуоресценции двухцветного ЛПТ
І/Іа 1,4 л
Рис. 2. Градуировочная характеристика ЛПТ
Центральным моментом теплового эксперимента является выбор материала модели. Материал модели должен быть теплоизоляционным, однородным по теплофизическим свойствам и технологичным, а использование оптических методов накладывает дополнительные условия: оптическая однородность поверхности, светлый цвет и непрозрачность. Имевшаяся в наличии модель была изготовлена из теплоизоляционного материала АГ-4. Оказалось, что оптическая неоднородность материала АГ-4 при совмещении изображений сильно увеличивает шум получаемых полей температуры, а главное, краска ЛПТ плохо смачивает АГ-4 и при нанесении ее пульверизатором не удается получить тонкое покрытие. В дальнейшем испытывались также модели, изготовленные из пластмассы «Этакрил» и эпоксидной смолы с наполнителем. Эти материалы также оказались неудачными. В ходе поисков материала для изготовления моделей проводились измерения теплофизики различных материалов и было обнаружено, что эпоксидная краска с окисью титана в качестве пигмента, выпускающаяся в России, имеет теплофизику, близкую к материалу АГ-4. Измерения тепловой восприимчивости краски дали результат 910 Вт • с0'5/м2-К, а для материала АГ-4 тепловую восприимчивость обычно принимают равной 892 Вт • с°'5/м2-К. Это позволяет изготовлять модели из АГ-4 и затем окрашивать их краской, причем толщина краски
не будет влиять на результаты измерений благодаря близости тепловой восприимчивости материалов. Поверхность, окрашенная краской, может полироваться, имеет белый цвет, абсолютно непрозрачна и хорошо совмещается с краской ЛПТ.
ЛПТ наносится на поверхность модели пульверизатором так же, как обыкновенная краска. Толщина слоя ЛПТ после высыхания составляет 3—5 мкм. Слой краски ЛПТ практически невидим, что существенно затрудняет процесс нанесения. Однако контроль толщины и равномерности покрытия можно осуществлять в ультрафиолетовом свете.
После нанесения ЛПТ на поверхность модели наносились маркеры. Маркеры представляют собой контрастные (черные) точки, которые используются для коррекции положения модели на изображениях в потоке и без потока, а также для привязки результатов измерений к реальной геометрии модели. Фотография модели с нанесенными маркерами показана на рис. 3.
Экспериментальные исследования проводились в ударной аэродинамической трубе УТ-1М (ЦАГИ), работающей по схеме Людвига с продолжительностью пуска до 40 мс. Труба УТ-1М оснащена рядом профилированных сопл на различные числа Маха. Эксперименты проводились с соплом, рассчитанным на число М = 6, имеющим диаметр выходного сечения 300 мм. Давление торможения варьировалось в ходе экспериментов в диапазоне от 9.5 до 34 бар. На каждом выбранном давлении эксперименты повторялись многократно. Большинство экспериментов было выполнено при температуре торможения 580 К, а часть при температуре 750 К. Изменения параметров потока соответствовали изменению числа Рейнольдса, вычисленного по радиусу затупления конуса, в диапазоне от 60 000 до 210 000.
ЛПТ на поверхности модели возбуждался импульсной лампой со светофильтром УФС-2, пропускающим ультрафиолетовое излучение и задерживающим видимое и инфракрасное излучение. Полная электрическая энергия вспышки составляла 220 Дж, что было достаточным для регистрации люминесценции поверхности модели с расстояния 300 мм. Для регистрации изображений использовалась ПЗС-камера VS-CTT-285 производства ЗАО НПК «Видеоскан» (Россия). Эта камера имеет запуск от внешнего синхроимпульса, что позволило синхронизовать импульсную лампу и электронный затвор камеры.
Двухцветный ЛПТ требует одновременной регистрации двух изображений в двух спектральных областях: синей и красной. В данном эксперименте оба изображения
регистрировались на одну камеру с помощью призменного расщепителя изображения [5]. Призменный расщепитель состоит из двух одинаковых призм с соответствующими светофильтрами и помещается перед объективом камеры. Расщепитель позволяет получить на матрице ПЗС-камеры два изображения одного объекта, смещенных друг от друга. Каждая призма расщепителя формирует свое изображение объекта, причем на всей приемной плоскости. Происходит наложение двух изображений от различных половин расщепителя. Это позволяет производить съемку ограниченного объекта на черном фоне, когда обеспечивается полное пространственное разделение двух изображений этого объекта. Направления регистрации изображений при такой схеме практически совпадают. Перспективные искажения обоих изображений, следовательно, близки, и ошибки совмещения изображений минимальны. Однако расщепитель в результате ограничения апертуры (виньетирования) вносит в получаемые изображения свои искажения, которые необходимо корректировать в процессе обработки для получения качественных результатов измерений. Для коррекции виньетирования, а также разброса чувствительности пикселей ПЗС-матрицы производилась съемка равномерно освещенного белого экрана последовательно для каждой половины расщепителя (вторая половина закрывалась непрозрачным экраном) и все изображения нормировались на
Рис. 3. Модели с нанесенными маркерами в рабочей части УТ-1М
соответствующий нормировочный кадр. При съемке экрана настройки объектива (диафрагма и фокус) оставались такими же, как и в пуске.
Импульсная лампа и ПЗС-камера устанавливались на заглушке окна рабочей части трубы, как показано на рис. 4. Камера располагалась вверху, а лампа — внизу, причем камера и лампа имели отдельные окна. Импульсная лампа запускалась с программно устанавливаемой задержкой после запуска трубы. Момент запуска трубы определялся по сигналу с датчика давления, установленного на входе в сопло. Продолжительность световой вспышки составляла около 1 мс. Кадры без потока и темновые кадры (т. е. кадры, полученные без вспышки импульсной лампы) регистрировались непосредственно перед каждым пуском. Таким образом, в каждом пуске регистрировалось по шесть изображений.
Модель была оснащена двумя термопарами, которые использовались для измерения температуры модели перед пуском. Регистрация температуры осуществлялась визуально по показанию цифрового вольтметра. Температура модели измерялась относительно температуры воздуха в зале трубы. Результаты измерения показали, что температуру поверхности модели можно в первом приближении принимать равной температуре воздуха в зале трубы. Так за пять пусков, выполненных в течение двух часов, поверхность модели нагрелась всего на 0.7°С.
Перед пуском, во время откачки воздуха из рабочей камеры трубы, поверхность модели охлаждалась на несколько градусов, но до начала пуска температура успевала восстановиться. Следует отметить, что эти результаты были получены для модели с массивным стальным сердечником.
2. Обработка экспериментальных данных. Алгоритм обработки изображений включал следующие операции:
вычитание темновых изображений из изображений в потоке и без потока; коррекция виньетирования и разброса чувствительности пикселей ПЗС-матрицы путем деления изображений на нормировочные кадры, полученные при съемке равномерно освещенного экрана;
совмещение всех изображений при помощи маркеров;
попиксельная коррекция изменения возбуждающего излучения путем деления красного (температурочувствительного) изображения на синее (опорное);
нормирование (деление) изображения в потоке на изображение без потока. Отношение изображений зависит только от температуры и не зависит от толщины покрытия ЛПТ и распределения возбуждающего излучения. Нормированное изображение является хорошей визуализацией распределения температуры и теплового потока и может быть конечной целью эксперимента;
Рис. 4. ПЗС-камера и импульсная лампа, установленные на заглушке окна рабочей части трубы УТ-1М
пространственная фильтрация (уменьшение пространственного шума) полученного изображения;
нахождение поля температуры по градуировочной характеристике ЛПТ. Градуировочная характеристика снимается в градуировочной камере на образце покрытия ЛПТ, который изготовляется одновременно с нанесением ЛПТ на модель. На рис. 5 представлены изотермы на поверхности модели;
перенос температурного поля на реальную трехмерную геометрию модели. После выполнения этой операции изображение модели с измеренным полем температуры можно рассматривать под любым ракурсом;
вычисление теплового потока.
Для вычисления теплового потока используется поле температуры, полученное в определенный момент времени t после запуска трубы, и точное решение одномерного уравнения теплопроводности для полубесконечного тела:
$ = 1 - exp (р2 ) erfc (р),
где
$ = (Tm -Tm )/(Tr -Tm ),
Tin — начальная температура модели (перед запуском трубы); Tm — температура точки поверхности модели в момент времени t после запуска трубы; Tr — адиабатическая температура поверхности (было принято Tr «T0, T0 — температура торможения); erfc — стандартная функция ошибок и р — безразмерный тепловой поток:
Р =
Здесь h — коэффициент теплоотдачи; -^кcp — тепловая восприимчивость материала
модели; к, c, p — теплопроводность, теплоемкость и плотность материала, из которого изготовлена модель.
Для анализа экспериментальных результатов использовалось произведение числа Стантона (St = h p^V^cp = q/(Tr- Tn )p^Voo cp) на квадратный корень из числа Рейнольдса (StVRe). Известно, что при ламинарном течении это произведение не зависит от числа Рейнольдса [1].
\
\ - - - - Эксперимент Расчет
\
З/Я
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 7. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета
На рис. 6 показаны распределения параметра St^/Re вдоль образующей модели, полученные в различных пусках при одинаковых параметрах торможения потока и задержках измерения температуры (Б — расстояние от точки торможения потока вдоль образующей, Я — радиус затупления модели). Хорошая повторяемость результатов говорит о стабильности использовавшегося ЛПТ. Разброс кривых несколько возрастает при подходе к критической точке, что является естественным вследствие увеличения шумов из-за уменьшения величины сигнала. Результаты, полученные при различных числах Рейнольдса (при различных ро и Т0)), а также при задержках
10, 20 и 40 мс располагаются вблизи одной кривой в координатах (^л/И-С, Б/Я). Из этого можно
сделать вывод, что быстродействие ЛПТ достаточно для проведения экспериментов в трубе Людвига. Тепловые потоки, полученные при задержке измерения температуры 5 мс, оказались на 20—25% выше остальных, это можно объяснить тем, что такая задержка уже сравнима с временем установления потока в аэродинамической трубе.
На рис. 7 приведены осредненное распределение параметра St^/RC по всем пускам
1 2 3 4 5 6
Рис. 6. Повторяемость результатов измерений
(за исключением пусков с задержкой измерения температуры 5 мс) и результат теоретического расчета [4]. На большей части поверхности модели результаты измерений близки к расчетным данным. Тепловой поток, измеренный с помощью ЛПТ в районе точки торможения, несколько ниже расчетного (приблизительно на 12%). При вычислении теплового потока считалось, что температура измеряется на поверхности модели, т. е. слой ЛПТ принимался бесконечно тонким. Реальный слой ЛПТ имеет толщину, и измеряемая температура является некоторой средней по толщине, следовательно, измеряемый тепловой поток всегда будет занижаться, причем максимальная погрешность будет как раз в области максимальных тепловых потоков. Кроме того, область критической точки имеет очень плохой ракурс наблюдения и, следовательно, низкое пространственное разрешение. На каждый пиксель ПЗС-матрицы в окрестности критической точки из-за низкого пространственного разрешения приходится участок поверхности, имеющий градиент температуры. Измеряемая температура, средняя по пикселю, будет ниже своего максимального значения, из-за этого тепловой поток также занижается.
Выводы. 1. Тепловые потоки, измеренные на модели затупленного конуса с помощью люминесцентных преобразователей температуры в различных пусках, хорошо совпадают друг с другом.
2. Быстродействие ЛПТ достаточно для работы в трубе Людвига.
3. Измерения теплового потока с помощью ЛПТ хорошо согласуются с расчетом на большей части поверхности модели, за исключением окрестности точки торможения, где измеренные тепловые потоки немного ниже расчетных.
4. Использовавшийся ЛПТ весьма стабилен. Механические повреждения, фото- и термодеградация и изменения калибровочной кривой от пуска к пуску оказались незначительными.
Авторы благодарят В. Я. Борового, который является инициатором данной работы и оказал помощь в методике вычисления распределения теплового потока по экспериментальным данным распределения температуры по поверхности модели, а также Ю. В. Жилина за измерения тепловой восприимчивости материалов моделей.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 04-01-00817 и № 05-01-00557.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боровой В. Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. — М.: Машиностроение. — 1983.
2. M e г s k i N. R. Reduction and analysis of phosphor thermography data with the IHEAT software package // AIAA Paper 98-0712.— 1998.
3. Buck G. M. Simultaneous Global Pressure and Temperature Measurement Technique for Hypersonic Wind Tunnels // AIAA Paper 2000-2649. — 2000.
4. Башкин В. А., Колина Н. П. Расчет сопротивления трения и теплопередачи на сферически затупленных круговых конусах в сверхзвуковом потоке // Труды ЦАГИ. — 1968.
Вып. 1106.
5. Кулеш В. П., Морозов А. Н., Мошаров В. Е., Радченко В. Н.
Использование призменного делителя изображений при измерении распределения давления методом двухцветных люминесцентных преобразователей // ПТЭ. — 2001, № 1.
Рукопись поступила 27/I2006 г.
