CC BY
35
Dr Slavica Ristić,
dipl. inž.
Vojnotehnicki institut, Beograd
PREMAZI OSETLJIVI NA PRITISAK - NOVA MOGUĆNOST VIZUALIZACIJE STRUJANJA
UDC: 533.68 : 629.7.018
Rezime:
U radu je opisan novi metod vizualizacije strujanja i merenje raspodele pritisaka po povrsini, baziran na premazima, odnosno bojama osetljivim na pritisak — PSP. Ovi premazi nalaze Siroku primenu u razlicitim oblastima nauke i industrije. Prikazani su rezultati ispiti-vanja ovom metodom u svetski poznatim aerodinamickim laboratorijama. Prelazak sa klasic-nih davaca pritiska na PSP tehnologiju omogućava brie i preciznije merenje pritisaka, Sto će omogućiti poboljSanje karakteristika aviona.
Kljucne reci: premazi osetljivi na pritisak, aerotunel, vizualizacija strujanja, raspodela priti-saka.
PRESSURE SENSITIVE PAINTS - NEW POSIBILITY OF FLOW VISUALIZATION
Summary:
The description of the new method for flow visualization and surface pressure distribution measurement, based on emulsions named pressure sensitive paints — PSP, are given in this paper. These paints have large applications in different branches of science and industry. The results of this research method from the most famous world aeronautical laboratories are presented. The switch from pressure taps to pressure sensitive paints enables fast and accurate pressure testing and finally predictable and improved aircraft performance.
Key words: pressure sensitive paints, wind tunnel, flow visualization, pressure distribution.
Uvod
U okviru razmatranja mogućnosti modernizacije aviona G-4 pokazala se potreba za preciznim ispitivanjem lokal-nih udarnih talasa na povrsini krila. U eksperimentalnoj aerodinamici postoji veliki broj metoda koje se mogu koristiti u tu svrhu [1-15]. Postoje metode ispiti-vanja u slobodnom letu i u aerodinamickim tunelima. Metode mogu da se zasni-vaju na merenju raspodele pritisaka po povrsini modela, merenju aerodinamic-kih sila i momenata ili vizualizaciju stru-
janja. Prateći savremene tendencije u svetu, koje se odnose na vizualizaciju strujanja u granicnom sloju, s ciljem da se detektuje lokacija udarnog talasa, na-pravljena je analiza postojećih, a narocito najnovijih metoda. Rezultati te analize omogućavaju optimalan izbor metode koja, u okviru materijalnih mogućnosti, daje najbolje rezultate.
Kratke opste napomene i podela metoda vizualizacije strujanja uvod su u detaljniji osvrt na fizicke principe, pred-nosti i nedostatke metode koja koristi premaze, boje osetljive na pritisak (PSP
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2006.
35
- Pressure Sensitive Paint). Dati su pri-meri primene PSP tehnologije [3, 6-10, 12-14], koja predstavlja metodu izbora za ispitivanje strujanja na krilu modela aviona G4.
Mogućnosti koje pružaju PSP su od samog njihovog pojavljivanja pre desetak godina zainteresovale istraživace u oblasti aerodinamike. Raspodela pritisaka na po-vrsini modela u aerotunelima koristi se da bi se odredili optimalni aerodinamicki di-zajn, pojava udarnih talasa, itd. Precizna merenja u ovoj oblasti doprinose razvoju bržih, sigurnijih i efikasnijih aviona. Avi-oindustrija poslednjih godina ima stroge zahteve. Konstruktori moraju brzo da pri-hvataju standarde i da vrse neophodna po-boljsanja u snazi, manevarskim sposobno-stima, sigurnosti, efikasnosti i snižavanju cene aviona.
PSP tehnologija danas je nasla prime-nu i u drugim oblastima, kao sto su: auto-mobilska industrija, nedestruktivna ispiti-vanja uređaja koji rade pod pritiskom, itd.
Opšte o vizualizaciji strujanja
Osnovni fluidi, koji se koriste u eks-perimentalnoj aerodinamici, jesu vazduh i voda. To su bezbojni fluidi cije kretanje oko letelica, ili njihovih modela, ne može biti neposredno posmatrano i snimano. Zbog toga se koriste posredne metode koje se mogu svrstati u posebnu naucnu di-sciplinu u okviru eksperimentalne aerodi-namike, u vizualizaciju strujanja [1].
Nove naucne ideje iz ove oblasti brzo su nasle put do prakticnog ostvarenja, zbog toga sto je tehnologija dosegla nivo na kojem je mogla odgovoriti nauci. Po-slednjih godina ova oblast je u ekspanzi-ji, u smislu razvoja novih metoda i njiho-
ve aplikacije u ispitivanjima složenih strujnih polja [6-15]. Nove metode vizu-alizacije omogućavaju „pogled u fizicke procese“ koji se ispituju u fundamental-noj mehanici fluida, u termodinamici, to-plotnim masinama, aerodinamickom in-ženjeringu, arhitekturi, medicini, testira-nju proizvodnih procesa i drugim oblasti-ma nauke i tehnike. Savremeni razvoj kompjuterske tehnike i digitalna obrada slike omogućavaju automatsku analizu efekata vizualizacije strujanja i dobijanje kvalitativne i kvantitativne vrednosti strujnih parametara, koji ne mogu da se dobiju klasicnim, konvencionalnim teh-nikama merenja. Najnoviji razvoj kom-pjuterskih metoda dinamike fluida (CFD) cesto koristi rezultate vizualizacije stru-janja za proveru numerickih rezultata, kao i za komparativnu analizu eksperi-menta i teorijske slike strujanja.
Posebno znacajna oblast za resava-nje velikog broja tehnickih problema, je-ste strujanje u granicnom sloju, koji se formira oko testiranih objekata i modela. Vizualizacija strujanja u granicnom sloju omogućava da se detaljno ispita njegova priroda, odredi debljina i podrucje preo-bražaja. U literaturi [1, 6, 11] detaljno su opisane karakteristike granicnog sloja i metode koje se najcesće koriste u njiho-vom ispitivanju.
Najznacajnije metode mogu se uslovno podeliti u tri grupe: klasicne, op-ticke i specijalne. Prva grupa metoda na-zvana je klasicnom zbog toga sto se kori-sti najduže od svih. Danas ova grupa metoda ukljucuje najsavremenije tehnologije, tehnike osvetljavanja, snimanja i ob-rade. U ovu grupu metoda mogu biti svr-stane metode vizualizacije strujanja s markerima, metode s premazima i meto-
36
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
de s končićima. Opticke metode obuhva-taju metod senke, sliren, interferometrij-ske (klasicne i holografske) metode, laser doppler anemometriju, brzinsku sliku ce-stica, itd. U grupu specijalnih metoda svrstane su sve metode koje su kombina-cija elektrohemijske i fotohemijske metode, metode s infracrvenim i ultrazvuc-nim zracenjem, itd.
Vizualizacija premazima
U grupi metoda vizualizacije struja-nja u granicnom sloju veoma je znacajna metoda premaza. Premazi mogu da de-tektuju strujnice u neposrednoj blizini povrsine modela, da prikažu raspodelu pritisaka ili temperature, zavisno od pri-rode procesa koji se aktivira u premazu [1, 2, 4, 11].
Najcesće i najduže se koristi metoda vizualizacije uljnim emulzijama [1]. Pri-menjuju se u ispitivanju podzvucnih i nadzvucnih strujanja, u vazduhu ili vodi. Uljne emulzije izrađuju se na osnovu pe-troleuma, kerozina ili lakih transforma-torskih ulja, kojima se dodaju razliciti pigmenti i aditivi.
Pored uljnih emulzija, za vizualiza-ciju granicnog sloja koriste se i drugi premazi zasnovani na detektovanju pro-mena temperature u neposrednoj okolini povrsine modela. Poznato je da se pri promeni laminarnog u turbulentno struja-nje temperatura povećava, i obrnuto [1, 2]. Ako se na povrsinu nanese termoose-tljivi premaz on će menjati boju zavisno od temperature. Opseg promena je u in-tervalu 100°C. Osetljiviji premazi, koji se koriste za fina, precizna ispitivanja, sadrže tecne kristale. Oni reaguju na pro-mene temperature od oko 0,5°C. Tecni,
odnosno holestericni kristali selektivno apsorbuju i reflektuju upadnu belu sve-tlost, zavisno od temperature podloge, sloja i okoline.
Poslednja rec tehnologije u ovoj oblasti su boje osetljive na promenu priti-saka, koje mogu da se koriste kao premazi za vizualizaciju strujanja oko modela u slobodnom letu i u aerotunelima [1-15]. Osim spomenutih premaza, treba dodati da se koriste i sublimacioni premazi, premazi sa fluorescentnim dodacima, sa raz-licitim bojama, kao i premazi sa osobina-ma dvojnog prelamanja [1, 2, 4, 6].
Boje osetljive na pritisak
Boje osetljive na pritisak su premazi koji mogu da daju tacnu raspodelu priti-saka na povrsini modela gde su nanete, a samim tim i lokaciju udarnog talasa. Ova metoda se do sada nije koristila u labora-torijama VTI, a u svetu se veoma uspe-sno koristi poslednjih desetak godina [3, 6-15]. U nastavku je dat kratak pregled fizickih principa i osnovnih karakteristi-ka ove metode.
Mogućnost da generisu preciznu, prostorno kontinuiranu raspodelu pritisa-ka i temperature na ispitivanim aerodina-mickim povrsinama od bitnog je znacaja za njihovu primenu pri izucavanju kom-pleksnih strujanja i za upoređenje sa re-zultatima simulacije dobijenim metoda-ma proracunske dinamike fluida (PDF).
Konvencionalne metode merenja pritisaka koriste razlicite tipove elektro ili mehanicki skenirane davace pritiska, koji se preko cevcica povezuju do merne tacke na povrsini. Ova metoda je veoma precizna, ali ima niz nedostataka; daje podatke u diskretnim tackama, narusava
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
37
konfiguraciju površine i zahteva skupu opremu za prikupljanje i obradu signala. Metoda nije pouzdana kada se radi u za-ga|enim sredinama i na ekstremnim tem-peraturama. Tipi~an model za merenje raspodele pritisaka po povrsini aviona košta prose~no od 500000 do milion USD, od ~ega na instalaciju cev~ica i da-va~a pritisaka otpada oko 30%. PSP teh-nologija, zbog svojih mogućnosti, name-će se kao alternativna tehnika za određi-vanje stati~kog pritiska na površinama aviona u slobodnom letu ili modela avio-na u aerotunelima.
Princip PSP tehnologije
Na slici 1 šematski je predstavljen osnovni mehanizam, odnosno princip na kojem se zasniva PSP tehnologija.
Boje osetljive na pritisak su premazi koji se sastoje od osnovnog polimera (baze) u koji su uba~ene (potopljene) lu-miniscentne molekule. Danas se u svetu koriste razli~iti tipovi PSP u zavisnosti
od podrucja primene. Lista PSP premaza je sve duža, jer se intenzivno radi na op-timizaciji starih i stvaranju novih boja. Polimerna ili druga osnova boje (primer sol-gel) diktira termalne i mehani~ke ka-rakteristike, vremenski odziv boje, a do-prinosi i njenoj osetljivosti.
Luminiscentni molekuli mogu biti dobijeni kao složena jedinjenja na bazi metala kao što su: rutenium (Ru), europium (Eu), platina (Pt), itd.
Kada se premaz u kojem se nalaze luminiscentne molekule osvetli ultra lju-bi~astom svetlošću ke (300 do 345 nm) određenom energijom, one apsorbuju svetlost i dolazi do njihove eksitacije. Vraćanje u normalno stanje vrši se ree-misijom apsorbovane svetlosti. Talasna dužina luminiscencije kl kraća je od apsorbovane i nalazi se u oblasti vidljivog spektra (slika 1).
Podloga, odnosno baza u kojoj su potopljene luminiscentne molekule je permeabilna za molekule kiseonika (O2). Kada u boji penetriraju molekuli kiseoni-
38
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
ka, dolazi do gašenja luminiscencije i smanjenja intenziteta emitovane svetlo-sti. Broj molekula kiseonika koji vrsi ga-senje direktno je proporcionalan parcijal-nom pritisku vazduha, odnosno kiseonika. Intenzitet luminiscencije obrnuto je proporcionalan pritisku na ispitivanoj po-vršini. Na ovom principu PSP mere apso-lutni, lokalni pritisak. Snimanje raspode-le intenziteta luminiscencije po ispitiva-noj površini može da se vrši foto-apara-tom, CCD ili TV kamerom. Promene u intenzitetu luminiscencije mogu biti pre-tvorene u promene pritiska pomoću ade-kvatne kalibracije [5, 7-10, 12-15].
PSP u suštini predstavljaju višesloj-ni premaz, a sastoje se od: bele podloge, koja daje opticku uniformnost modela i povećava intenzitet eksitacione svetlosti, adhezivnog sloja za povezivanje podloge i aktivnog sloja i aktivnog, odnosno PSP sloja osetljivog na promene pritiska vazduha. U ovom sloju cesto se pored osnovnog, nalazi još jedan tip lumini-scentnih molekula koji služe za elimini-sanje nepoželjnih uticaja temperature i intenziteta eksitacione svetlosti. Oni se pobuđuju istom talasnom dužinom, a emituju u drugom delu spektra, pa se nji-hovi signali lako odvajaju [12-15].
PSP mogu biti proizvedeni u obliku spreja ili kao samolepljive trake. Njihova debljina ne prelazi 100 цш. U tabeli 1 dat je pregled karakteristika nekoliko tipova PSP koje proizvodi firma Optrod [13]. Oznake LPS B1, LPS B1T (T oznaka za traku), LPS L4 i LPS L4T namenjene su za ispitivanja u stacionarnom strujanju sa transonicnom i supersonicnom brzinom u aerotunelima ili u slobodnom letu, a LPS F2 LPS F2T za hipersonicne brzine, udarne cevi i nestacionarna strujanja.
Na slici 2 prikazana je kalibraciona kriva osetljivosti PSP (odnos eksitacio-nog i emisionog intenziteta) u funkciji pritisaka na temperaturi od 20°C [13].
1 LPT L±
H LM 1
] 3 г £,bir A <
Sl. 2 — Kalibraciona kriva PSP na T= 20°C
Prednosti i nedostaci PSP
tehnologije
PSP imaju niz prednosti u odnosu na konvencionalne metode merenja ras-podele pritisaka na modelima. Osnovna prednost je što omogućavaju kontinuira-no određivanje pritiska po celoj površini sa velikom prostornom rezolucijom. PSP su neinvazivna tehnika i, ako se pravilno nanose (debljina premaza je oko 1 gm), ne remete strujanje u granicnom sloju oko modela. Njihov vremenski odgovor je prakticno trenutan, tako da mogu da se koriste i za nestacionarna strujanja [710, 12-14]. Proces luminiscencije je re-verzibilan tako da se mogu koristiti u to-ku više testova.
Korišćenje PSP eliminiše potrebu da se rade modeli sa rupicama i kanalima za instalaciju cevcica i meraca pritiska, pa se zbog toga skraćuje vreme izrade modela i smanjuje njihova cena. Istovremeno, pove-ćava se cvrstina modela, što omogućava is-pitivanje na većim Rejnoldsovim brojevi-ma. Ovi modeli mogu da se koriste i u ispi-
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
39
tivanjima sila i momenata, što znaci da su univerzalni, a ne za samo jednu upotrebu [7, 12-15]. PSP zahtevaju relativno jeftinu do-datnu opremu za razliku od drugih metoda merenja raspodele pritiska.
U projektovanju aviona, PSP štede i vreme i novac, jer njihova primena daje veliki broj informacija o pritisku i opte-rećenjima pojedinih delova aviona ili projektila, što ubrzava projektovanje i iz-radu modela, odnosno letelica.
Nažalost, PSP imaju i svoje nedo-statke [12-14]. Jedna mana PSP tehnolo-gije je što premazi „stare“, odnosno de-gradiraju tokom vremena. To se događa zbog fotohemijskih reakcija koje se odvi-jaju na molekulama tokom ekspozicije na eksitacionim talasnim dužinama. Ova ka-rakteristika je bitna za velike modele.
hu koji vrše inhibiciju luminiscencije. Traži specijalnu pripremu modela, ci-šćenje, odmašćivanje i nanošenje adhe-zivne podloge. Obicno se nanosi na be-lu podlogu kako bi se obezbedilo mak-simalno iskorišćenje eksitacione svetlo-sti. Jedan premaz može se koristiti ne-koliko sati, za više ponovljenih ispiti-vanja, ali se mora voditi racuna o stare-nju premaza, jer to dovodi do promene njegovih karakteristika.
Primena PSP u aerodinamičkim
ispitivanjima
Na slici 3a šematski je prikazana osnovna postavka za primenu PSP u eks-perimentima, a na slici 3b izgled modela koji je premazan sa PSP [3, 5, 7-14].
Tabela 1
Tehnick podaci PSP proizvoda firme Optrod [13]
Tip PSP Pmax (bar) Osetljivosta) (%/bar) Temp. opseg (oC) Temp.b) koeficijent. (%/oC) Vremec) odgovora (s) Efikasnostd) (%) Opseg luminiscencije (nm)
LPS B1/B1T 5 70 -20+60 0,35 0,5 10 425+550 odnosno: 610+640
LPS L4/L4T 5 70 -20+60 0,35 0,5 10 425+550
LPS F2/F2T 10 55 0+100 02 0,005 6 425+550
Drugi nedostatak metode je što emisija PSP premaza pokazuje u isto vreme i uticaj lokalne temperature, jer ona utice na energetsko stanje lumini-scentnih molekula i na permeabilnost substrata. Temperaturna zavisnost je veoma bitna pri ispitivanju sa kompre-sibilnim fluidima (kada su veće brzine u testu) i gde temperatura po površini modela nema uniformnu raspodelu. Ova metoda je osetljiva na kontamina-ciju, na prašinu i druge agense u vazdu-
Osnovna uprošćena jednacina koja povezuje vrednosti intenziteta luminiscen-cije na slikama sa vrednostima pritisaka u istim tackama na modelu je Stern-Volme-rova jednacina (1) [13]. Ona zahteva po-znavanje referentnih vrednosti za P i T, koji su na modelu u uslovima mirovanja. Tehnologija ispitivanja zasniva se na komparativnoj analizi slike kada je model u atmosferi uniformnog, konstantnog, po-znatog pritiska i kada se nalazi u struji va-zduha i izložen je razlikama pritiska.
40
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
Ilf = A + В— = — (1)
1 Pref T
gde je:
Iref— intenzitet luminiscencije pri odsu-stvu strujanja (wind off),
I — intenzitet luminiscencije pri strujanju kada aerotunel radi (wind on),
P — pritisak za uslove mirovanja (wind off), Pref — pritisak kada postoji strujanje (wind on),
T — temperatura za uslove mirovanja (wind off),
Tref - temperatura za uslove strujanja (wind on),
A, B - temperaturno zavisni koeficijenti.
b)
Sl. 3 — Osnovna postavka za primenu PSPpremaza (a) i model sa PSP u aerotunelu (b)
Koeficijenti A i B određuju se eks-perimentalno i zavise od temperature T. Oni moraju da se odrede pre konverzije intenziteta luminiscencije u raspodelu pritisaka. Postoje dva pristupa kalibraciji PSP, pre testa, u kalibracionoj komori (a priori) i u radnom delu aerotunela (in situ) [12]. U prvom postupku koristi se test-ploca na koju se nanosi premaz PSP izabrane za predstojeći test. Ploca se sta-vlja u komoru sa mogućnosću regulacije pritiska i temperature, koji se ocitavaju u trenutku kada se uzimaju podaci o inten-zitetu luminiscencije. U komori se vrse odvojena merenja za promene pritiska i za promene temperature, pa se na taj na-cin određuju konstante A i B i diferencira njihov uticaj na rezultate merenja.
Drugi metod kalibracije vrsi se na ispitivanom modelu na kojem treba da postoje kontrolne tacke sa rupicama i da-vacima. Izmerene vrednosti pritiska u tim tackama uzimaju se kao kalibracione vrednosti PSP premaza. Metod podrazu-meva da je povrsina modela izotermna. Uticaj temperature u ovom postupku mote se odrediti sa premazom koji je ose-tljiv samo na temperaturu. Obicno se jed-na strana modela premaže PSP osetljivim na pritisak, a druga sa PSP osetljivim na temperaturu.
Najnovije metode koriste PSP koji su dizajnirani tako da su luminiscencije uzrokovane promenom pritisaka u jednom delu spektra, a one koje su posledica temperature ili debljine sloja u drugom delu spektra, pa se mogu lako diferencirati od uticaja promena pritisaka [7, 12-15].
Odnos intenziteta (Iref/I) koreliran je sa izlazom iz CCD kamere, sto omoguća-va generaciju prostorne, kontinuirane mape pritisaka, omogućavajući simulta-
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
41
a) b)
c) d)
Sl. 4 — Model krila (a), slika luminiscencije pre i za vreme rada aerotunela (b), raspodela Cp za razlicite napadne uglove modela (c) i kalibraciona kriva Cp s rupicama i PSP (d). (McLachlan and Bell, 1998 [12])
no skupljanje podataka po celoj povrsini od interesa za ispitivanje. Posto CCD ka-mere danas imaju vise miliona piksela, to zna~i da se istovremeno meri pritisak u isto toliko ta~aka.
Izlaz iz CCD kamere može vizuelno da se prikaže kao dvodimenzionalna slika u kojoj se intenzitet luminiscencije prikazuje preko nijanse sivog ili sa ra-znim odgovarajućim bojama.
Na slici 4a prikazan je model krila sa PSP premazom a na slici 4b su snimci kalibracije (za uslove mirovanja i struja-
nja). Na slici 4c prikazane su slike istog modela za razli~ite napadne uglove. Koe-ficijent pritiska Cp prikazan je preko ko-reliranih boja [12].
Kada se prikupe podaci za analizu i obradu, sledeći problem predstavlja dvo-dimenzionalnost slike, dok je realni model trodimenzionalan. Povezivanje svake ta~-ke slike sa odgovarajućom ta~kom mode-la je kompleksna operacija ako se zna da je moglo doći do neželjenih distorzija u slici zbog so~iva kamere ili do deformaci-je modela tokom ispitivanja. Ovi proble-
42
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
mi resavaju se sofisticiranim metodama razvijenim u fotogrametriji [3, 5, 7-15].
Primeri ispitivanja PSP
tehnologijom
U literaturi i na Internetu može se naći veliki broj rezultata ispitivanja ras-podele pritisaka PSP. Deo tih rezultata prikazan je kao ilustracija mogućnosti koje pruža ova nova tehnologija. Primeri su izabrani iz razlicitih centara za aerodi-namicka ispitivanja, za razlicite opsege brzine i razlicite modele [3, 5, 7-15].
Na slici 4c prikazani su rezultati ispitivanja modela krila sa PSP. Za razlicite napadne uglove dobijena slika prati promene pritisaka, plave zone opisuju podrucja sa većim intenzitetom lumini-scencije, sto odgovara manjim pritisci-ma, a crvene obeležavaju zone sa manjim intenzitetom luminiscencije, odnosno sa većim pritiscima (originalne fotografije su u boji). Slika 4d daje kalibracionu kri-vu dobijenu merenjem sa davacima priti-ska i PSP. Autori su pokazali da je sred-nja vrednost razlike u izmerenim pritiscima 344 Pa [12].
Rezultati dobijeni u NASA 9*7 ft supersonicnom aerotunelu, gde je ispiti-van model sa posebno generisanim ko-sim krilom sa velikim rasponom [12], prikazani su na slici 5.
Krilo modela je sa supersonicnim aeroprofilom, a njegov ugao može da se menja od 0° do 72°. Rupice za merenje pritiska postavljene su na rastojanje od jedne cetvrtine tetive, a druga strana krila je premazana sa PSP (4a). Za osvetljava-nje se koristi komplet od sedam živinih lampi. Slikanje je izvrseno standardnom CCD kamerom sa 8-bitnom rezolucijom
b)
Sl. 5 — Dijagram modela sa kosim krilima (a) i raspodela pritisaka po povr{ini krila i snimak {liren efekata (b), (McLachlan, 1995)
intenziteta 512*480 piksela prostornom rezolucijom. Kalibracija u ovom eksperi-mentu rađena je pomoću oba spomenuta metoda.
Rezultati eksperimenta prikazani su na slici 5b. Vizualizacija strujanja izvrse-na je oko supersonicnog krila postavlje-nog na M = 1,6, napadni ugao -4°, ugao između krila i modela 60° i ugao skreta-nja 0°. Mapa pritisaka PSP data je isto-vremeno sa sliren slikom strujanja oko modela i krila. Plava boja pokazuje niski pritisak, a crvena visok. Ocigledna je
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2006.
43
Sl. 6 — Slike raspodele pritisaka na raketama AIM-54 Phoenix, koji se odvajaju od lovca F-14
prednost korišćenja PSP za vizualizaciju strujanja. Pomoću ovih boja mogu se vi-deti lokacije udarnih talasa na gornjoj površini krila. [liren snimak pokazuje i lucni udarni talas na vrhu modela, kao i reflektovani talas koji potice od kraja krila. Ova dva talasa takođe su detektovana i PSP premazom.
Jasno se vidi da postoji korespon-dencija između dobijenih rezultata: lucni udarni talas, koji se javlja na vrhu mode-la, ima uticaja na raspodelu pritisaka na krilu, ispred njega je manji pritisak, a iza njega veći, što dovodi do pojave inten-zivnije plave boje na krilu. Takođe, može se videti i uticaj reflektovanog udarnog talasa na površini krila.
Na slici 6 vidi se kako PSP premazi oslikavaju raspodelu pritisaka pri slože-nom procesu odvajanja raketa od aviona nosaca [12].
Ispitivanja raspodele pritisaka na modelu superkriticnog krila SC3 izvrše-no je u NASA Langley trisonicnom, kri-ogenom aerotunelu, sa malim brzinama, pomoću PSP. Pritisak u devet tacaka me-ren je davacima, a model je premazan PSP emulzijom na bazi sol-gel, koja ima
j "\ j, Л I %
a) b)
M = 0,154, M = 0,256 i
M = 0,512
Sl. 7 — Rezultati ispitivanja krila SC3
povećanu osetljivost u odnosu na poli-merne emulzije.
Rezultati ispitivanja dati su na slici 7; model (7a), mapa pritisaka (7b) za M = 0,154, 0,256 i 0,512 i koeficijent Cp za navedene Mahove brojeve (7c). Kontinu-irana kriva je dobijena na osnovu PSP, a tackaste vrednosti pomoću davaca [12].
Na slici 8 ilustrovana je primena PSP u okviru eksperimenta ESA’s ARPT, u hipersonicnom tunelu prekidnog dej-stva (R2Ch u Oneri) [12]. Model je cen-tralni mlaznik Aero spike. Oko njega se nalaze 24 kružne mlaznice, a njihova
44
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
uloga je da vrse kontrolu ekspanzije mla-za tokom faze lansiranja budućeg nosaca. PSP premazi su na bazi pyrena, koji je skoro neosetljiv na promene temperature i veoma brzo reaguje. Za eksitaciju je ko-risćena živina lampa (334 ± 5 nm), a sve-tlost se preko fibera uvodi u aerotunel, kako bi se eliminisala potreba za pyrex prozorima, transparentnim za tu talasnu dužinu svetlosti. Snimanja su vrsena u razmaku od 1s, a dobijeni rezultati raspo-dele pritiska na bazi PSP su u odlicnoj saglasnosti sa klasicno merenim vredno-stima u diskretnim tackama.
a)
b)
1 . ли
a)
b)
Sl. 8 — Laboratorijski model Aerospike centralnog mlaznika (a) i mapa pritisaka dobijena PSP tehnologjom (b)
Sl. 9 — Raspodela pritisaka na svemirskom brodu Buran, a) i na lopatici turbine snimljene u aerotunelima u CAGI b)
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
45
U poznatom aeronautickom centru CAGI [13] vrsena su mnoga ispitivanja PSP tehnologijom, a na slici 9 dati su pri-meri ispitivanja nosača aviona (a) i turbine (b), realizovani u aerotunelu T-112.
a)
Щ II
b)
Sl. 10 — Uporedna slika raspodela pritisaka dobijena PSP i CFD metodama: model aviona a) [12] i na lopatici turbine b) [14]
Posebno je velika primena rezultata dobijenih PSP tehnologijom u kompara-tivnoj analizi s rezultatima različitih me-toda proračunske dinamike fluida (CFD). Prednosti PSP u ovom domenu pokazane su na slici 10a i 10b. Numeričke vredno-sti za raspodelu pritisaka date su na levoj strani modela aviona, a eksperimentalne vrednosti dobijene PSP tehnologijom na desnoj (10a) [12].
Primena PSP u odre|ivanju pritiska na velikim rotacionim povrsinama veo-ma je znacajna zbog toga sto su druge metode veoma komplikovane.
Nove tendencije u PSP tehnologiji
Iako poceci PSP tehnologije datiraju od pre desetak godina, danas se već go-vori o klasicnim i novim premazima koji se razvijaju za specijalne primene. Tako, na primer, PSP koji su na bazi sol-gel osnove testirane u NASI i u Nacionalnoj aerodinamickoj laboratoriji u Japanu na-menjene su za veoma male promene pri-tiska, u temperaturnom opsegu od -150 do 500°C. Ove PSP mogu da se koriste u svim opsezima brzina, a i u kriogenim aerotunelima [10, 14, 15].
Razvoj novih polimera, koji se koriste kao osnova za potapanje luminiscent-nih molekula, veoma je intenzivan, sto dovodi do nove specificne primene PSP tehnike. Danas se koriste opticki senzori na bazi platine (platinum octa-ethylporphyrin (PtOEP)) u razlicitim or-ganskim i neorganskim polimerima ili fllmovi na bazi kompleksnih metala [15].
Posebna primena koja treba da se naglasi je upotreba PSP tehnike u proce-su dizajna i proizvodnje modela za aero-tunelska ispitivanja [8, 14, 15]. Njihova primena u ovom procesu je opravdana
46
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2006.
zbog veoma niske cene, visoke efikasno-sti i preciznosti u merenju koeficijenta pritisaka. Primer je ispitivanje SST mo-dela transoni~nog putni~kog aviona u aerotunelu u Japanu [8]. PSP su dale veoma važne podatke za raspodelu pritisaka na osnovu kojih su izra~unate izobare na transoni~nom krilu i na mestima gde dolazi do interferencije uticaja motora i uvodnika vazduha [8].
PSP se primenjuju za ispitivanje ve-oma brzih kratkotrajnih fenomena u hi-personi~nim aerotunelima i u udarnim cevima [9, 15]. Specifi~nost ovih boja je sto se u podlozi od anodiziranog alumi-nijuma nalaze složene molekule ruteniu-ma ([Ru(ph2phen)3]2+) koje su lumini-scentne. Brzina odgovora ovih PSP je oko 10 kHz. Ispitivanja su vrsena u hi-personi~nom tunelu pri M = 10.
U literaturi se mogu naći podaci da se PSP koriste i u ispitivanjima nestacio-narnih strujanja [3, 7, 9, 12-15]. Pokaza-no je da mogu da mere fluktuacije priti-ska sa frekvencijom do reda KHz, a da su ograni~avajući faktor karakteristike CCD kamera kojima se snimaju slike.
PSP tehnologija može se primenjivati i u veoma razređenim gasovima, gde je mala koncentracija kiseonika, tako sto se umesto standardnih osnova za luminiscentne mole-kule koriste druge sa većom permeabilno-sću, kao sto su tTFPP/poly(TMSP) [15]. Danas su razvijeni novi PSP koji se mogu koristiti i u kriogenim aerotunelima [10, 14, 15]. U ovim sredinama skoro da nema kise-onika neophodnog za aktiviranje standard-nih PSP. Polimer gubi permeabilnost kiseo-nika na temperaturama blizu ta~ke te~nog azota. Zbog toga su razvijeni anodizirani aluminijumski PSP (AA-PSP), bazirani na
složenim polimerima kao vezivna podloga. AA-PSP i PSP na bazi Poly (TMSP) koriste se zbog visoke osetljivosti na kiseonik i u najnepovoljnijim uslovima [15].
Zaključak
Danas u svetu ne postoji zna~ajan centar za aerodinami~ka ispitivanja koji u svoje metode ne ubraja PSP tehnologi-ju. U ovom radu prikazan je samo mali deo rezultata koji se nalazi u dostupnoj literaturi.
Analiza postojećih i mogućnosti pri-mene novih metoda vizualizacije strujanja, radi detekcije mesta pojave udarnog talasa, pokazuje da je najbolja metoda vizualizacije strujanja u grani~nom sloju ona koja koristi premaze na osnovu PSP. Kao zaklju~ak može se istaći da je istra-živanje lokacije udarnih talasa na krilima aviona G4 problem koji se može resiti primenom PSP.
Danas u svetu postoji vise renomira-nih centara koji proizvode PSP za tržiste i koji mogu da ih prilagode za specifi~ne potrebe svakog eksperimenta (Optrod iz Rusije, ili Onera-Dafe iz Francuske, Levis Lab iz NASE, General Paints Ltd., Celbridge, Innovative Scientific Solutions, Inc. Indian, itd.). Za primenu ove metode neophodno je nabaviti komplet PSP (podloga, adhezivni premaz i boje), koji u proseku kosta oko 3000 USD, za povrsinu od oko 2000 cm2.
Laboratorija za eksperimentalnu aerodinamiku VTI raspolaže neophod-nom opremom i stru~nim kadrom i uz minimalna ulaganja može primeniti ovu metodu kao standardnu za određivanje mape pritisaka na ispitivanim modelima.
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2006.
47
Literatura:
[1] Werzkirch, W. F.: Flow Visualization. 1st ed. Academic Press, New York, 1974.
[2] Yang, W. J. [ed.]: Flow Visualization. III proc. 3rd International Symmposium, Ann Arbor MI, 1983, Hemisphere, New York, 1985.
[3] Bykov, A. P.; Fonov, S. D.; Mosharov, V. E.; Orlov, A. A.; Radchenko, V. N.: Investigation of the Airflow around Aircraft Model at High and Intermediate Angle of Attack with Pressure Sensitive Paint, 20th ICAS Congress, Sorrento, Italy, September 1996.
[4] Risti}, S.: Flow Visualization Technics in wind tunnels, VTI, 1996.
[5] Kuzmin, M. G.; Nemilova, M.Yu.; Sadovskii, N. A.; Mos-harov, V. E.; Orlov, A. A.; Radchenko, V. N.: Luminescent Pressure Sensor for quantitative surface flow visualizatio, 8th International Symposium on Flow Visualisation (1998).
[6] Risti}, S.: Pregled metoda vizualizacije strujanja u aerodi-nami~kim tunelima, kum NTI, VTI, 1999.
[7] Mosharov, V.; Radchenko, V. N., Fonov, S.: Luminescent Pressure Sensors in Aerodynamic Experiment, Central Aerohydrodyna-mic Institute - CWA Intentional Corporation, 1999.
[8] Yuichi Shimbo, Keisuke Asai, Hiroshi Kanda, Yoshimi Iiji-ma, Nobuyoshi Komatsu, Shinya Kita, Mitsuo Ishiguro: Pressure Sensitive Paint Application to a Business Jet Model in Transonic Testing, 7th Annual Pressure Sensitive Paint Workshop, West Lafayette, Indiana, Oct 1999.
[9] Kazuyuki Nakakita, Keisuke Asai, and Takashi Yamazaki: Improvement of PSP Measurement System in a Hypersonic Shock Tunnel, 8th Annual PSP/TSP Workshop, Hampton, Virginia, Oct. 2000.
[10] Yasuhiro Egami, Yoshimi Iijima, and Keisuke Asai: Optimizations of Polymer-Based PSP for Cryogenic Wind Tunnels, 19th International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities (ICIASF), Cleveland, Aug. 2001.
[11] Ristić, S.: Metode vizualizacije granicnog sloja, Tehnicka dijagnostika, god. 3, br. 1, 2004, str.14-20.
[12] www.aerospaceweb.org.
[13] www.optrod ltd.
[14] http://www.yahoo.com/ISSI, Innovative Scientific Solutions Inc.,2766 Indian Ripple Road.
[15] Keisuke Asai: Status and Prospect of Pressure-Sensitive Paint Technology, Journal of the Visualization Society of Japan, Vol. 21, No. 83, October 2001.
48
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2006.
