基于荧光油膜的高超声速流场全局表面摩阻测量技术研究

Skin friction is an important physical quantity in the research of turbulent boundary layer, turbulence modeling, validating results of numerical simulation and projection. Analysis shows that, among the skin friction measurement methods, the global measurement techniques of skin friction have obvious advantages in precision and spatial resolution with bright prospect. .To meet the needs of complex skin friction distribution measurement in hypersonic flow field, this project will improve the global skin friction algorithm, predict the fluorescence oil film viscous demand, calibrate the temperature characteristic and distributed thickness of the fluorescence oil film, and research the hardware requirements. At last, global skin friction measurement system in hypersonic flow field based on fluorescence oil film would be established. Through experiment and verification, this project will achieve the ability of providing accurate, high spatial resolution skin friction field for hypersonic wind tunnel test of aero-craft, and provide a new, non-contact and full-field optical measuring technique for the domestic aerodynamics research.

表面摩擦阻力在湍流边界层研究，考核湍流的理论研究，检验数值模拟结果，工程应用中具有重要意义，在众多表面摩擦阻力测量方法中，采用荧光油膜进行全局表面摩擦阻力测量的方法在精度和空间分辨率方面具有明显优势，具有很好的应用前景，但要在高超声速风洞实验中获得应用还有许多问题需要研究。本项目将针对高超声速流场复杂表面摩阻分布测量需求，改进并完善已有的全局表面摩阻分布求解方法，通过荧光油膜粘性需求预测、荧光油膜温度特性标定、分布式油膜厚度标定和相关硬件需求等研究，建立荧光油膜高超声速流场全局表面摩阻测量系统，通过实验与验证研究，形成为高超声速实验提供模型全局表面摩擦阻力场测量的能力，为国内空气动力学研究提供高精度、高分辨率的光学非接触全局表面摩阻测量技术。

表面摩阻与表面压力和温度一样是空气动力学和流体力学中最重要的表面参量之一，同时也是最难以测量的表面参量，其在湍流边界层研究，考核湍流的理论研究，检验数值模拟结果，工程应用中具有重要意义。早期工作中，项目组成员通过调研研究，建立了表征荧光油膜厚度与表面摩阻之间关系的油膜控制方程，选取特定的荧光指示剂，研制了可用紫外光激发的荧光油膜，采用CCD相机记录图像建立油膜厚度与图像灰度间关系，引入与Horn等人对Optical Flow方程求解类似的附加约束进行积分最小化和变分迭代的方法，求解表面摩阻分布。本项目针对高超声速流场复杂表面摩阻分布测量需求，改进并完善已有的全局表面摩阻分布求解方法，通过荧光油膜粘性需求预测、荧光油膜温度特性标定和相关硬件需求等研究，建立荧光油膜高超声速流场全局表面摩阻测量系统。之后，利用该系统在跨声速风洞中开展小肋减阻验证试验，马赫数达到了Ma0.785和Ma0.82，验证了小肋抑制湍流摩擦阻力的有益效果。最后，在高超声速风洞中开展平板-涡流发生器减阻效果测量，检测到有效减阻效率超过14%项目完成后，形成为高超声速实验提供模型全局表面摩擦阻力场测量的能力，为国内空气动力学研究提供高精度、高分辨率的光学非接触全局表面摩阻测量技术。