基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法

本发明属于航空发动机热端部件冷却效率测量，尤其涉及一种基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法。

背景技术：

1、燃气涡轮发动机是一种基于布雷顿循环的热动力装置，依靠其强大的输出功率和高热效率已广泛应用于现代军事和工业。经验表明，在发动机尺寸不变的前提下，涡轮进口温度每提高56k，燃气轮机的推力可增加8-13％，循环效率可提高2-4％。目前先进航空发动机的涡轮前温度已经超过2000k，而涡轮叶片材料的耐温极限却远小于涡轮进口温度，因此必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。气膜冷却技术是涡轮热端部件重要冷却方式之一。气膜冷却的实现为通过在涡轮叶片表面开设离散的孔，将冷却工质从涡轮叶片内部引出到外壁面上。在主流的作用下，冷却工质被压制于叶片表面上形成气膜，起到将壁面与高温主流燃气隔开，同时带走壁面热量的作用。

2、气膜冷却的重要评价参数之一是气膜冷却效率(简称气膜冷效)，气膜冷却效率在数值上等于壁面绝热条件下主流燃气和冷气掺混后的流体在壁面上的恢复温度。当气膜冷却效率等于1时，表明壁面附近全是冷气，冷却效果最好；当气膜冷却效率等于0时，表明壁面附近全是主流燃气，冷气没有起到保护作用。因此，气膜冷却效率可以用来定量分析气膜覆盖壁面效果。但是在实际的航空发动机热端部件设计时，壁面的实际温度也是十分重要的参数，壁面温度决定了热端部件的使用寿命和可靠性。而热端部件的表面温度由外部气膜冷却、内部冷却以及固体导热综合决定，也即流热固耦合条件。由于发动机工况下难以测量，在实际实验研究时，通常对热端部件表面温度无量纲化进行模化研究，即综合冷却效率(简称综合冷效)。

3、目前，基于压敏漆技术的气膜冷效测量已经被广泛应用于气膜冷却研究中。wright在《effect of density ratio on flat plate film cooling with shaped holesusing psp》一文中以带复合角的平板气膜冷却研究为载体，对psp测试技术与热测量方法(temperature sensitive paint(tsp)and infrared(ir)thermography)的测量结果进行了对比，认为psp测量方法具有很强的使用前景。压敏漆涂料受到特定波长照射后会发出另一特定波长的荧光，同时，压敏漆存在氧气猝灭现象，因此随着涂料周围氧气浓度(或压力)的变化，荧光强度也会随着变化，二者可以通过stern-volmer方程进行描述。气膜冷效测量时，将压敏漆喷涂于测试表面，将冷却介质替换成不含氧气的气体，当冷气从气膜孔喷出时，气膜覆盖处的荧光强度就会发生变化，通过光强与浓度(或压力)的关系就可以进一步得到气膜覆盖处的氧气浓度，基于传质模拟传热理论就可以获得类似绝热条件下的气膜冷效分布。但是由于压敏漆对于温度较为敏感，以上方法中要求主流和二次流的温差小于1k，维持壁面处于等温条件，这对于实验时的温度控制提出了较高的要求。

4、综合冷效的重点是获得测试壁面的温度，测量方法较多，包括红外测温法、液晶法、热电偶法以及温敏漆。其中红外测温不需要额外照明设备就可以通过非接触方式拍摄待测物体表面的温度，是一种十分高效的测温手段。发明《一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统》中就利用红外测温得到了带气膜冷却的叶栅表面的温度分布。

5、在气膜特性测量中，测量综合冷效需要在主流和冷气存在温差且壁面存在导热，即流热固耦合条件下进行，而以往气膜冷效的测量大多在绝热条件下进行。根据以往研究，流热固耦合条件下气膜覆盖壁面的规律与绝热条件下的结果有差别。在流热固耦合条件下，同时获得气膜冷效和综合冷效有利于进一步理解气膜对于涡轮热端部件温度分布的影响机理。而以往的测量方法只能测量气膜冷效和综合冷效的其中一个，无法实现同时测量气膜冷效和综合冷效，导致无法理解气膜对于涡轮热端部件温度分布的影响机理。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，包括：

3、将测温元件埋入待测模型中，并在所述待测模型的表面均匀添加漆涂层，所述漆涂层包括：压敏漆涂层和黑色底漆涂层；

4、获取处在若干种环境下的待测模型；基于每一种环境下的待测模型，通过科学相机拍摄所述待测模型，得到光强图像，通过红外相机拍摄所述待测模型，得到温度图像，基于所述测温元件，得到测温结果；

5、基于所述温度图像和所述测温结果，得到待测模型表面的温度数据，将所述温度数据代入综合冷效计算公式，得到综合冷效；

6、基于所述光强图像和所述温度数据，得到待测模型表面的氧分压数据，基于所述氧分压数据，得到气膜冷效。

7、优选地，所述压敏漆涂层、所述黑色底漆涂层的涂层厚度均控制在厚度阈值内，所述压敏漆涂层为半透明状且无添加染色剂的压敏漆。

8、优选地，若干种环境包括：第一环境、第二环境、第三环境和第四环境；

9、其中所述第一环境为无光、无流动环境；

10、所述第二环境为有光、无流动环境；

11、所述第三环境为有光有流动射流为空气的环境；

12、所述第四环境为有光有流动射流为异性气体的环境。

13、优选地，得到待测模型表面的温度数据的过程包括：

14、获取原位标定公式，将所述温度图像转换成温度二维矩阵，基于所述原位标定公式对所述温度二维矩阵对应的温度数据进行修订，得到修订后的温度数据。

15、优选地，获取原位标定公式的过程包括：

16、对所述温度图像进行处理，得到测温元件处的第一温度数值，获取测温元件记录的第二温度数值，基于所述第一温度数值和所述第二温度数值，得到原位标定公式。

17、优选地，得到待测模型表面的氧分压数据的过程包括：

18、将所述光强图像转换为光强二维矩阵，基于所述光强二维矩阵和所述温度数据，计算得到待测模型表面的氧分压数据。

19、优选地，得到气膜冷效的过程包括：

20、基于所述第四环境中射流的氧气含量为零，将所述第四环境对应的氧分压数据代入气膜冷效计算公式，计算得到气膜冷效。

21、优选地，所述科学相机上设置有滤光片，所述滤光片用于透过特定波长的光，其中透过所述滤光片的波长与所述压敏漆涂层的荧光波长相近。

22、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

23、本发明提供了一种基于红外测温和压敏漆的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，该方法利用压敏漆遮挡小特点，使用红外相机获得非等温条件下待测表面的温度和综合冷效，同时利用红外测温结果修正了非等温条件下待测表面压敏漆的氧分压测量结果，从而同步获得待测表面的气膜冷效，降低气膜冷却实验难度，为进一步理解非等温条件下气膜冷却机理提供了新的方法。

技术特征：

1.一种基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，所述压敏漆涂层、所述黑色底漆涂层的涂层厚度均控制在厚度阈值内，所述压敏漆涂层为半透明状且无添加染色剂的压敏漆。

3.根据权利要求1所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，若干种环境包括：第一环境、第二环境、第三环境和第四环境；

4.根据权利要求1所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，得到待测模型表面的温度数据的过程包括：

5.根据权利要求4所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，获取原位标定公式的过程包括：

6.根据权利要求1所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，得到待测模型表面的氧分压数据的过程包括：

7.根据权利要求3所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，得到气膜冷效的过程包括：

8.根据权利要求1所述的基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，其特征在于，所述科学相机上设置有滤光片，所述滤光片用于透过特定波长的光，其中透过所述滤光片的波长与所述压敏漆涂层的荧光波长相近。

技术总结
本发明公开了一种基于红外测温的气膜冷效和综合冷效同步测量方法，包括：将测温元件埋入待测模型中，并在待测模型的表面均匀添加漆涂层，漆涂层包括：压敏漆涂层和黑色底漆涂层；获取处在若干种环境下的待测模型；基于每一种环境下的待测模型，通过科学相机拍摄待测模型，得到光强图像，通过红外相机拍摄待测模型，得到温度图像，基于测温元件，得到测温结果；基于温度图像和测温结果，得到待测模型表面的温度数据，将温度数据代入综合冷效计算公式，得到综合冷效；基于光强图像和温度数据，得到待测模型表面的氧分压数据，基于氧分压数据，得到气膜冷效。本发明能够同时获得待测表面的综合冷效和气膜冷效，降低气膜冷却实验难度。

技术研发人员：谢刚,楼雨杼,李海旺,周志宇,孟龙,陶智
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14