PSP基础

PSP的光-物理转换控制过程如下。典型的PSP由荧光粒子与可透氧聚合物粘合剂组成。荧光粒子通过吸附光子被激发,根据激发情况,荧光粒子有若干弛豫路径。与PSP相关的路径包含向受激三重态的禁戒跃迁,此过程荧光粒子可能只发出一个光子。但如果有氧出现,粒子则会与氧相互作用将其能量传递到氧分子的振动模态。

PSP Physics

这种无辐射的钝化作用,类似于氧淬灭,可生成一个系统,此系统中荧光粒子的发光强度与氧分子压力形成函数关系。

此时,我们得到了氧分子压力敏感的发光涂料。通过该涂料建立基于图像的压力测量系统。

涂料

首先通过标准喷漆枪或喷刷将涂料喷涂在表面,通常达到20-40微米厚。

psp1

激发

接下来使用具有适当波长的光源照射喷涂表面,激发涂料中荧光粒子。

数据采集

喷涂表面成像通过使用带有长通滤波器的科学级CCD镜头生成。滤波器分离出荧光粒子红移发射的图像。光强分布被记录和保存,然后通过预先确定的校准转换为压力分布。

PSP Experimental Setup

然而光强分布并非氧分子压力函数的唯一变量。事实上,喷涂表面的光强还会根据激发光强、涂层厚度以及探头分布的变化而变化。

如假设这些变量经过一段时间之后可以保持稳定,则通过在测量环境或有风状态取得图像,然后在无风或已知环境取得图像,两者比较去除变量。这种有风无风比例系数经常作为辐射法PSP的参考。

UniFIB Cal

为确定光强与压力分布的关系,需要将PSP样本在校准室内做校准,记录样片在各种温度与压力条件下的发光强度,对应参考环境下的强度做标准化并绘制与压力的相关曲线。上图是PtTFPP在FIB中的校准曲线,揭示出涉及PSP测量的问题之一:PSP除了对压力敏感之外同时也对温度敏感。其他更高级的PSP测量系统如二元PSP或寿命法PSP也是如此。总之,辐射法 PSP在实验控制很好的条件下能够提供高效的PSP测量。

UniFIB Jet data

一个案例。一个喷嘴以一个倾斜角喷射冲击一平面。看似简单的实验设置,但如果喷击在超声欠膨胀状态下进行,流场能够产生一系列复杂的冲击与膨胀。在此状态下,喷嘴轻微的压力改变都会导致这些波在量级和位置上产生影响。此时用测压孔直接测量表面是不现实的,同时也会带来干扰,但是使用PSP,可以根据压力场分布轻易而举的得到足够空间分辨率的数据。下图是冲击表面的压力场分布,所有的数据都是通过一个喷涂过的样片取得的。

常见误差

最初的PSP系统是在放射性的有风无风模式下操作,这些系统在实验室与实验台测试中展示出非常好的结果。但在风洞中,PSP结果与测压孔出现显著区别。在努力了解这些误差来源之后,刘教授数字化模拟了PSP系统并研究压敏漆测量各种不确定因素的来源,发现了系统各组成要件的函数关系,并对误差来源以及灵敏度系数进行了计算。这些误差源包括:温度、照度、模型位移与形变、沉积、光降解与镜头快门噪音。很多误差可以在实验室测量环境下最小化,如在喷嘴倾斜冲击实验,但这不是在风洞环境下。刘教授的研究将温度与光照度作为PSP测量系统的主要误差来源。这里简明的描述了各个误差的来源,我们在介绍Lifetime与Binary PSP系统时会继续介绍误差以及这几个广泛应用的PSP系统如何降低这些误差。

对Radiometric PSP来说,因为温度造成的压力测量误差主要是因为模型表面在有风/无风过程中的温度变化。模型表面的任何温度梯度,都会在压力测量中产生温度诱导误差。这些温度梯度成因包括模型结构、风洞操作或流体动力学。例如一个高速的原始模型,由金属内结构和聚合树脂构成,其内结构的热力学特性在表面接触到热流时会显而易见;由风洞马赫数变化造成的热流会直接影响模型,这种情况在风洞开启或暂冲式风洞中特别明显。

俄亥俄州立大学22英寸暂冲式风洞的一个PSP实验展示了风洞测量中必须要注意的若干温度影响因素。这里,风洞预开启的无风状态图像与开启关停后的无风状态图像比率被计算出来,由于风洞与大气联通,每种无风状态的静压应该都等于大气压,强度比率应该为1;结果有两点变化:首先强度比率在风洞运转30关停后比初始增加了1%,表明在这一间隔过程中大气压增加了6kPa

blowdown tunnel

现实中,风洞运转过程中模型表面降温与信号1%的增长均为涂料温度灵敏度导致。其次,靠近机翼前缘的条纹。这些条纹是靠近机翼前缘的边界层过渡所致。湍流边界层的热传递系数大约是层流边界层的5倍。事实上,温敏漆经常使用在暂冲式风洞以测量其变化。

math

即使模型达到热力学平衡,其温度分布也不是完全的一致。有一个由外部气流产生温度梯度的例子,就是由于边界层过渡。此例中必须考虑上面定义的恢复温度,层流边界层中的恢复温度因子(上方程式中的r)为0.81,与之相对湍流边界层的因子为0.89。这种变化会导致温度在0.5马赫数时变化1摄氏度,在1马赫数时变化3.5摄氏度。假设使用UniFIB作为PSP涂料,温度阶梯在此过渡位置的量级会呈现出压力升高650Pa(0.5马赫数)到2250Pa(1马赫数)。

另一个包含温度梯度流场的例子是冲击,不等熵的。冲击前后的总温度是恒定的,但速度不恒定,因为静态温度会有所升高,大约几摄氏度,同时会导致压力变化若干kPa。

以下给出一个示例,一个超声欠膨胀喷射冲击带倾斜角度的平面。压力测量通过PSP,绝热壁温度测量通过TSP。压力与绝热壁温度沿主要方向的分布曲线如下图。首先注意喷射区域最大的温度倾斜,正好顺着喷射冲击区域。有人猜想此区域压力相对平缓,事实上PSP显示静压低于环境压力,这种低压假象是因为此区域绝热壁温度下降了3-4度,低温显示了低压。一个更加严谨的实验设计可以最小化误差。第二个温度影响在冲击区域也可见,一系列的冲击与膨胀与表面相互作用。注意绝热壁温度与这些冲击膨胀同相。这是个很好的实验步骤,通过等温模型(厚的高传导材料)最小化温度误差,使系统(模型与风洞)尽可能达到热力学平衡。

jet trace

表面光照度与涂料光是线性关系,因此表面任何光照度变化会导致涂料光的相同变化。表面光照度变量带来的压力测量误差可以溯源。考虑利用下图表面照度的点源,表面某点的发光强度与该点到光源的距离平方呈反函数。涂料表面或光源的任何位移会导致这两点距离变化,因此会影响到表面发光强度。位移的原因可能是模型表面的变形、模型或光源的移动。另一个照度误差的来源是光源的时间稳定性,此问题可通过优化设计的LED作为光源很好的解决。有风/无风图像任何由光源带来的光强变化都会被记录为照度误差。

illumination errow

以下是一个圆柱模型在横向流场中位移的例子。圆柱表面涂料为Binary FIB,置于低速风洞中。独立安装于相机与LED风洞之外。有风/无风数据通过两步处理,首先数据通过压敏信号通道进行处理,结果显示合理,仔细检查数据发现误差是Cp范围为+/-1.5,是由于LED在风洞中安装不牢固,因此有风状态有轻微的位移。此例说明模型轻微的位移也会对PSP结果产生影响。

displacement error