一种新型持续表面剪切力光学测量方法与流程

本发明属于表面剪切力应力测量，具体为一种新型持续表面剪切力光学测量方法。

背景技术：

1、流体与固体壁面之间的摩擦阻力，是流体动力学领域的一个重要参数。飞行器表面的摩擦阻力会显著影响飞行器的性能，边界层流动理论指出，在壁面附近的边界层内，流体的粘性起着重要作用；流体的粘性是产生壁面摩擦力的主要原因，摩擦阻力以切向力的形式作用在飞行器表面上，壁面边界层流态会从层流状态自然地发展为湍流状态；转捩的发生和湍流状态会导致流动能量损失加剧，摩擦阻力和壁面传热相应地大幅增加，此时，流体做功效率下降，颤震威胁加剧，会严重影响飞行器的飞行性能和飞行安全。此外，阻力系数的减小和升阻比的提高，对于飞行器的起飞重量和有效航程都有着至关重要的影响，因此相关技术的研究也在持续进行。

2、飞行器减阻研究需要以气动阻力的准确测量为基础，摩擦阻力是飞行器各部分表面受到的剪切力的合力，是高超声速飞行器气动阻力的重要组成部分；摩擦阻力的准确测量，无论是在理论研究中还是工程实际中，都具有重要意义，但壁面摩擦阻力的测量始终是一个难题，一直以来没有很好的测量方法和技术。传统的摩擦力测量方法中，主要采用了机械或电子的方式，诸如机械式天平、侵入式探针和传感器等；这类方法均属局部方法，只能测量出单点摩擦力信息，并且会给流场的流动带来干扰，甚至给壁面带来破坏；所以，传统方法具体的缺陷表现如下：

3、1、摩擦天平法技术会破坏模型结构，影响表面流场特征；由于摩擦天平体积大，导致单位面积内测量点少，测量空间分辨率低。

4、2、荧光油膜技术通过荧光油膜厚度和油膜中荧光物质亮度的线性关系进行测量，通过不同帧之间图像颜色亮度变化进行表面摩擦力的测量；这种测量方法虽然对表面流场影响小，但是油膜的涂覆厚度难以控制，导致摩擦力测量精度低；此外，荧光油膜目前的配方稳定性差，材料性质不稳定，而且同一表面涂覆荧光油膜后只可进行一次测量，测量可重复性低。

5、3、液晶涂层技术是一种非接触式的壁面摩擦力矢量分布的全局测量方法，该方法利用了液晶分子的螺旋形结构特性，通过入射白光的选择性反射，实现表面剪切力的测量；这种方法类似荧光油膜法，涂层厚度同样难以控制，不能重复测量，材料性质不稳定；此外，液晶涂层测量剪切力时需同时在多个角度进行测量，相关装置系统复杂，试验校准难度大。

6、综上，如果能研发出一种能够高分辨率的测量出壁面摩擦力矢量分布的方法，尽可能的避开传统方法的一些缺陷，将带来重要的科学意义和工程价值，因此相关方法的研究成为了本领域技术人员的核心关注点。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对传统方法的缺点和不足，提出一种新式的能够实现壁面摩擦力矢量分布测量的方法；该方法的核心要点是使用柔性纳米材料结构色探测器件来测量剪切力，通过表面摩擦力引起的结构颜色变化机理，从而实现飞行器模型表面剪切力的高时间/空间分辨率、可持续观测、高精度的非侵入式测量。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种新型持续表面剪切力光学测量方法，所述方法包括如下步骤：

4、s1、设计并制备纳米材料结构色器件；

5、s2、采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准；

6、s3、校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表，完成校准过程；

7、s4、将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色-剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程。

8、进一步的，步骤s3中，旋转加载方式具体为：将纳米材料结构色器件紧固于旋转加载台的一侧，然后将校准质量块放置于纳米材料结构色器件的上表面；随后启动旋转加载台，纳米材料结构色器件在旋转加载台的转动下进行圆周运动；通过旋转过程，对纳米材料结构色器件施加离心力，进行校准。

9、进一步的，所施加的离心力的方向，与旋转加载台启动后产生的离心力方向相同；通过改变旋转加载台的旋转角速度，来改变施加离心力的大小，实现不同载荷条件下的校准过程。

10、具体的，在旋转过程中，采用均质白光对纳米材料结构色器件持续照射，再通过ccd相机对纳米材料结构色器件的颜色持续拍摄，多次改变旋转加载台的旋转角速度后，记录不同离心力对于颜色的变化关系，得出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表。

11、具体的，校准过程中，所使用的校准质量块采用可见光透明材质；校准质量块放置于纳米材料结构色器件上表面的居中区域。

12、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

13、本发明在传统方法未曾涉及的测量技术上，创造性的提出了使用纳米材料结构色器件，基于光学原理来进行持续表面剪切力的测量；纳米材料结构色器件使用了柔性材料，经设计后对剪切力敏感，能通过颜色变化反映出剪切力测量结果。

14、本发明由于上述特点，成为了一种非侵入式测量方法，该方法对流场干扰小，多次反复测量的性能始终稳定，实现了可重复测量的目的；同时，本发明的响应率高、环境电磁干扰小、对测量装置的需求简单、测量精度高，最终实现了较高分辨率的二维剪切力分布测量过程；经过理论计算后，本发明的测量原理可行，且在仿真模拟中也具有较好的颜色随剪切力变化效果。

技术特征：

1.一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤s3中，旋转加载方式具体为：将纳米材料结构色器件紧固于旋转加载台的一侧，并将校准质量块放置于纳米材料结构色器件的上表面；随后启动旋转加载台，纳米材料结构色器件在旋转加载台的转动下进行圆周运动；通过旋转过程，对纳米材料结构色器件施加离心力，进行校准。

3.根据权利要求2所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：所施加的离心力的方向，与旋转加载台启动后产生的离心力方向相同；通过改变旋转加载台的旋转角速度，来改变施加离心力的大小，实现不同载荷条件下的校准过程。

4.根据权利要求2所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：在旋转过程中，采用均质白光对纳米材料结构色器件持续照射，再通过ccd相机对纳米材料结构色器件的颜色持续拍摄，多次改变旋转加载台的旋转角速度后，记录不同离心力对于颜色的变化关系，得出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表。

5.根据权利要求4所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：校准过程中，所使用的校准质量块采用可见光透明材质；校准质量块放置于纳米材料结构色器件上表面的居中区域。

6.根据权利要求4所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：记录不同离心力对于颜色的变化关系后，建立离心力和表面摩擦力的转化关系，再依据校准过程中ccd相机拍摄的颜色变化图像，实现对表面剪切力的实时校准。

7.根据权利要求6所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：实时校准的具体过程如下：

8.根据权利要求1所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤s4中，通过剪切力光学测量系统进行剪切力测量的具体过程为：将校准完成的纳米材料结构色器件粘贴固定于飞行器模型的表面，然后将飞行器模型安装于高速流场的测试位置；开始测试后，令高速流场的气流来流方向与飞行器模型的表面相对平行，从而产生气动摩擦阻力，用于剪切力的测量；同时，使用匀质白光对纳米材料结构色器件进行照射，使用高频ccd相机对纳米材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，获得测量数据；依据测量数据和颜色-剪切力映射关系表，使用数字图像处理技术对单帧图像内各点的压力进行计算处理，得到飞行器模型表面二维剪切力分布，作为测量结果。

9.根据权利要求1所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤s1中，纳米材料结构色器件的设计过程如下：

10.根据权利要求9所述的一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤s1中，纳米材料结构色器件的制备过程如下：

技术总结
本发明提供一种新型持续表面剪切力光学测量方法，其解决了传统方法中分辨率低、干扰流场等缺陷；本发明方法包括：设计并制备纳米材料结构色器件，采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准，校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色‑剪切力映射关系表，完成校准过程，将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色‑剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程；整个方法中，旋转加载方式采用旋转加载台实现，旋转角速度是其中重要条件参数；本发明实现了飞行器模型表面剪切力的高时间/空间分辨率、可持续观测、高精度的非侵入式测量。

技术研发人员：陈植,彭昊,何彬华,张林,夏洪亚,黄振新,张兆,冯黎明,余皓,王良锋,唐新武,刘志勇
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15