面向低温气体流场高性能LIF温度诊断关键问题研究

Large-scale high Reynolds number cryogenic wind tunnel is the best ground facility to present real aircraft flight conditions.Temperature field diagnosis of cryogenic wind tunnel provide important information for cryogenic wind tunnel's key technologies of multivariable control, PHM (prognostics and health management) and aircraft aerodynamic design. However, CFD simulation, as the current approach for temperature field's analysis, can not completely predict flow field characteristics at high Reynolds number. The lack of high-precision and high-sensitivity thermometry limits applications of cryogenic wind tunnel. To overcome this disadvantage, in this project, a high performance temperature filed diagnosis platform based on laser-induced fluorescence technique (LIF) will be proposed. PL (photo-luminescence) signal of temperature, pressure and atmosphere behavior will be analyzed, providing high-precision calibration model to improve temperature measurement accuracy. Besides, 2D LIF thermometry based on fluorescent tracers' temperature behaivior will be designed and modified to achieve higher temperature sensitivity and signal to ratio. Our project can provide effective technical solutions for problems in low temperature gas field such as low precision and measurement sensitivity, providing some experience of engineering design of optical equipment for cryogenic wind tunnel.

大型低温高雷诺数风洞是真实再现飞行器飞行状态的最佳地面设备，低温风洞的温度场分析对低温风洞的多变量控制关键技术、故障预测与健康管理和试验飞行器的气动设计提供重要的数据支撑。然而，当前低温风洞的温度场分析以CFD仿真为主，对高雷诺数流场特性的预测能力有限。缺乏面向低温气体流场的高精度和高灵敏度的二维测温手段，限制了低温风洞的应用与发展。本研究针对以上问题，以激光诱导荧光（LIF）技术为基础，设计面向低温气体流场的高性能LIF测温方案。通过研究荧光信号与温度、压力、环境氛围等因素的影响，建立荧光-温度的标定模型实现高精度的温度测量，并根据荧光示踪剂的温度特性进一步设计和优化二维荧光测温方案，进一步提升系统的灵敏度与信噪比。本项目能为低温气体流场中测温系统精度低和灵敏度低的问题提供有效的解决方案，并为低温风洞建设中配套光学检测设备的工程化设计提供一定的技术经验。

大型低温高雷诺数风洞是真实再现飞行器飞行状态的最佳地面设备，低温风洞的温度场分析对低温风洞的多变量控制关键技术、故障预测与健康管理和试验飞行器的气动设计提供重要的数据支撑。然而，当前低温风洞的温度场分析以CFD仿真为主，对高雷诺数流场特性的预测能力有限。缺乏面向低温气体流场的高精度和高灵敏度的二维测温手段，限制了低温风洞的应用与发展。本研究针对以上问题，以激光诱导荧光（LIF）技术为基础，设计面向低温气体流场的高性能LIF测温方案。通过研究荧光信号与温度、压力、环境氛围等因素的影响，建立荧光-温度的标定模型实现高精度的温度测量，并根据荧光示踪剂的温度特性进一步设计和优化二维荧光测温方案，进一步提升系统的灵敏度与信噪比。从光谱模型建立、标定溯源、系统设计、面向复杂流场的技术优化等多个方面开展系统研究，建立了面向100K~300K低温环境的高精度温度场测量方案（全域测温误差<3.8K，温度灵敏度>10.00%/K）。另外，项目对激光诱导荧光系统进行了技术拓展，提出的基于物理约束的温度示踪方法可进一步实现了温度场-速度场的同步测量（速度测量误差<5.0%），进一步拓展了技术的应用范围。项目研究成果能为低温气体流场中测温系统精度低和灵敏度低的问题提供有效的解决方案，并为低温风洞建设中配套光学检测设备的工程化设计提供一定的技术经验。另外，项目针对双色激光诱导荧光测温技术的研究方法能够广泛地拓展应用于其他应用环境（如低温结冰流场、燃烧流场、高温非平衡等离子体场）的流场显示/温度场测量需求中。