PSP快速响应漆

 

nitrogen_uncal

Image Courtesy of James Gregory

任何关于快响漆的论述都应该包含传统PSP的背景,快响漆的操作过程与传统PSP完全一致。主要区别在于涂料粘合剂的物理特性。和传统PSP一样,快响漆能得到表面压力的高空间分辨率结果,传感器作用基于发光染料对氧分子浓度的灵敏度。发光粒子从有若干弛豫路径的激发态吸收光子被激发。与PSP相关的路径包含向受激三重态的禁戒跃迁,此过程粒子可发出一个光子,或被氧分子淬灭。

氧淬灭,可生成一个系统,此系统中发光粒子的发光强度与氧分子分波压力形成函数关系。

fastPSP1

快响漆的实验设置与传统PSP一致,模型表面用涂料覆盖,并通过适当波长的光波照射激发。表面图像通过带长通滤波的CCD相机获取,记录光强分布,并根据之前确定的校准数据转换为压力分布。与传统PSP一样,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、涂层厚度以及探针分布的变化而变化。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。

PSP Experimental Setup

PSP的实验设置

 

为确定光强与压力分布的关系,需要将PSP样片在校准室内做校准。记录样本在各种温度与压力条件下的发光强度,每个强度对应校准室的强度做标准化并绘制与压力的相关曲线。图上是快速FIB的校准曲线,显示与传统PSP一致的温度灵敏度。快速PSP的温度灵敏度理论上可以使用二元法,但是快速二元漆的温度补偿目前并未实现。

Turbo FIB Calibration Plot

TurboFIB PSP校准曲线

PSP的瞬态响应特征首先受到涂料配方浓度与粘合剂扩散系数支配,响应时间随涂料浓度平方增长而增长,随扩散系数的增长而降低。某些研究者降低涂料浓度以改善响应特征,这和快速FIB采用的方法一致,其缺点在于牺牲了快响漆发射荧光的光强,低信号输出导致差的信噪比。有些研究者尝试创造易渗透结构以增加扩散,如阳极电镀铝。

fastPSP4

传统基于聚合物PSP与易渗透PSP的区别示意图如下。对传统PSP,实验气体中的氧分子必须渗透进入氧淬灭粘合剂层,渗入过程导致较慢的响应时间;另一方面,易渗透PSP中的染料对测试气体开放,氧分子可以自由与染料相互作用,此时对氧分子浓度变化(也就是压力)的响应要迅速得多。易渗透PSP造就了较大的有效表面积,改善了光照强度,达到高SNR变得可能。缺点是染料太易于接近氧分子,导致所有低压下的染料分子淬灭过程很快完成。在静压<3psia条件下的超音速风洞是有效的,但对于低速应用,信噪比会是很大的问题。

fastPSP5

聚合物/陶瓷PSP被作为混合涂料配方研发出来,它同时具有传统PSP与易渗透的PSP的优点。高压下会有快速的响应,并且不像阳极电镀铝,它容易被气枪喷到模型表面。聚合物/陶瓷配方包含很高比例的陶瓷颗粒,可以为氧淬灭产生易渗透结构,同时包含小部分粘合剂可以将涂料附着在模型表面。Gregory与Sullivan使用此配方PSP测量20kHz的振荡压力,如下图。

fastPSP6

Gregory, JW, Asai, K, Kameda, M, Liu, T, and Sullivan, JP, 2008, “A Review of Pressure-Sensitive Paint for High Speed and Unsteady Aerodynamics,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G, Journal of Aerospace Engineering, vol. 222, no. 2, pp. 249-290. http://dx.doi.org/10.1243/09544100JAERO243