本發(fā)明涉及一種用于測量激波作用下超聲速氣膜冷卻主流和冷卻流相互混合增強(qiáng)作用的方法，特別是關(guān)于一種在高溫超聲速氣流中存在激波入射的基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法。

背景技術(shù)：

氣膜冷卻的基本原理是指沿壁面切線方向或以一定的入射角射入冷卻氣體，形成一層貼近受保護(hù)壁面的緩沖冷卻氣膜，用以將壁面與高溫氣體環(huán)境隔離，從而對壁面進(jìn)行有效地?zé)岱雷o(hù)和化學(xué)防護(hù)。目前已成為很多場合高溫部件的冷卻措施，如高溫透平葉片、燃燒室等。自上世紀(jì)70年代氣膜冷卻被作為航空燃?xì)廨啓C(jī)的一種冷卻方法使用以來，關(guān)于氣膜冷卻的研究報告一直層出不窮，然而已有的研究主要側(cè)重于亞聲速氣膜冷卻，對超聲速氣膜冷卻的研究相對欠缺。

超聲速氣膜冷卻與亞聲速情況下的氣膜冷卻存在差別，原因主要在于一方面超聲速情況下氣體可壓縮的影響表現(xiàn)得更加明顯；另一方面在超聲速流場中，常常伴隨著激波的出現(xiàn)，激波入射氣膜邊界層往往對超聲速氣膜冷卻造成影響。研究激波作用對冷卻效果的影響成為超聲速氣膜冷卻研究中一個不可缺少的組成部分。激波破壞超聲速氣膜冷卻的機(jī)理主要在于：一方面激波入射使壁面處壓力升高，從而導(dǎo)致冷卻氣體邊界層流體馬赫數(shù)降低，絕熱壁面溫度升高；另一方面在強(qiáng)激波入射或者冷卻氣體為分子量輕的氣體時，激波的入射能很明顯地增強(qiáng)主流和冷卻流的混合，從而也導(dǎo)致冷卻效率下降。其中，第一方面的原因可以通過實(shí)驗(yàn)測量壁面處壓力和速度場分布得到，并且已被很多學(xué)者證實(shí)；然而第二方面的原因目前主要通過數(shù)值模擬分析得到，實(shí)驗(yàn)中不容易觀測得到，并且缺乏非接觸的全場測量數(shù)據(jù)。

綜上，上述的激波作用的第二方面機(jī)理在其破壞超聲速氣膜冷卻的作用中到底扮演多大的份量，迫切需要通過實(shí)驗(yàn)測量得到的是在激波的作用下冷卻氣體和主流氣體摻混有沒有得到加強(qiáng)以及增強(qiáng)的份額有多大，因此需要測量壁面處氣體濃度的分布。但是，如果采用取樣測量等方法，對于超聲速流場而言，即便是微細(xì)的測量管的引入也將不可避免地引起流場的變化尤其是將產(chǎn)生新的激波，從而將對原有的流場造成影響，其次取樣測量只能測量局部幾個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無法做到全場測量。因而亟需研究出非接觸式的測量方法對激波作用下的壁面處的氣體濃度分布進(jìn)行測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠通過非接觸式測量方法對激波作用下的壁面處的氣體濃度分布進(jìn)行測量的基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法，包括以下內(nèi)容：A)在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體和主流氣體都采用空氣，采用壓力敏感漆技術(shù)測量壁面氧分壓的分布，得到由于激波作用，此時該區(qū)域本身壓力升高造成氧分壓升高的量；B)在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體采用氮?dú)?，主流氣體采用空氣，采用壓力敏感漆技術(shù)測量壁面氧分壓的分布，獲得此時該區(qū)域氧分壓升高的量；C)將所述步驟B)得到的氧分壓升高的量去掉所述步驟A)獲得的氧分壓升高的量，得到在激波作用下，主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量。

進(jìn)一步地，通過一試驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量，具體實(shí)驗(yàn)過程為：1)試驗(yàn)裝置包括待測試高溫部件，待測試高溫部件從上到下依次設(shè)置有主流通道和超聲速氣膜冷卻流通道和受保護(hù)壁面，超聲速氣膜冷卻流通道內(nèi)設(shè)置有冷卻流噴嘴，超聲速氣膜冷卻流通道通過管路并聯(lián)連接位于待測試高溫部件外側(cè)的空氣氣源和氮?dú)鈿庠?，位于待測試高溫部件的正上方固定設(shè)置有用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的相機(jī)；2)將受保護(hù)壁面噴涂壓力敏感漆；3)分別開展兩組對比實(shí)驗(yàn)：①主流氣體和冷卻氣體均為空氣的實(shí)驗(yàn)：a、在與受保護(hù)壁面相對的待測試高溫部件的另一壁面安裝激波發(fā)生器，打開空氣氣源，關(guān)閉氮?dú)鈿庠矗諝饨?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內(nèi)，對受保護(hù)壁面進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)拍攝激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；b、拆卸掉激波發(fā)生器，打開空氣氣源，關(guān)閉氮?dú)鈿庠?，空氣?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內(nèi)，對受保護(hù)壁面進(jìn)行保護(hù)，此時通過相機(jī)拍攝無激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；②主流為空氣，冷卻流為氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)：a、在與受保護(hù)壁面相對的待測試高溫部件的另一壁面安裝激波發(fā)生器，關(guān)閉空氣氣源，打開氮?dú)鈿庠矗獨(dú)饨?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內(nèi)，對受保護(hù)壁面進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)拍攝激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；b、拆卸掉激波發(fā)生器，關(guān)閉空氣氣源，打開氮?dú)鈿庠?，氮?dú)饨?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道和噴嘴噴入主流通道內(nèi)，對受保護(hù)壁面進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)拍攝無激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

4)對得到的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和分析，獲得：激波作用下由于流體壓力本身變化導(dǎo)致的氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)；以及激波作用下由于流體壓力本身變化以及流體混合增強(qiáng)雙重作用下的氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)；5)通過比對上述兩組數(shù)據(jù)，去掉由于流體壓力本身變化導(dǎo)致的氧氣分壓力變化的影響后，得到由于主流氣體和冷卻流氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為受保護(hù)壁面壓力敏感漆的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)前通過一組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的光強(qiáng)和壓力值的關(guān)系曲線，從而得出受保護(hù)壁面處的氧氣壓力變化的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明可以通過非接觸式測量方法對激波作用下的超聲速氣膜冷卻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)對于全場的測量，獲得激波作用下冷熱流體混合增強(qiáng)的作用機(jī)理，從而可以定量分析激波對于主流和冷卻流的摻混增強(qiáng)作用的程度有多大，激波破壞氣膜冷卻效率的第二個機(jī)理扮演的份額。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例中試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的部分放大示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。

壓力敏感漆技術(shù)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種基于氣體分壓影響光敏感漆對特定入射光反射強(qiáng)度的技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)表明可以用于測量氣膜冷卻效果分布。在壓力敏感漆技術(shù)的測量中，一般冷卻氣體采用氮?dú)猓髁鳉怏w采用空氣，在氣膜冷卻保護(hù)區(qū)域，冷卻效果與保護(hù)氣體中氮?dú)庹嫉谋壤嘘P(guān)，反過來即與氣膜冷卻保護(hù)區(qū)域各位置的空氣含量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明光敏感漆可以反映出各點(diǎn)氧分壓的大小，即空氣含量的多少，從而能夠得到氣膜冷卻效率的分布。

在低速情況下開展試驗(yàn)，一般試驗(yàn)表面的壓力分布比較均勻，相差不大，因而可以通過光敏感漆反映出的氧分壓大小來等效于質(zhì)量濃度的分布。但是對于超聲速氣膜冷卻流場而言，在激波作用下，激波作用區(qū)域的壓力相對沒有激波作用的時候會有較大幅度的升高。因而在激波作用情況下，采用壓力敏感漆技術(shù)測量超聲速氣膜冷卻中壁面處的氧分壓時，此時的氧分壓由兩部分構(gòu)成：

1、由于激波的作用，該區(qū)域本身的壓力升高造成氧分壓的升高；

2、由于主流和冷卻流的摻混導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高。

本發(fā)明側(cè)重由于第2個原因(由于主流和冷卻流的摻混導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高)引起氧分壓升高的量，從而得到激波對主流和冷卻流的摻混增強(qiáng)程度有多大，所以需要摒棄掉第1個原因造成的氧分壓升高的量，本發(fā)明的基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法，具體實(shí)現(xiàn)過程為：

1、在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體和主流氣體都采用空氣，采用壓力敏感漆技術(shù)測量壁面氧分壓的分布，得到由于激波的作用，此時該區(qū)域本身的壓力升高造成氧分壓升高的量。

由于主流氣體和冷卻氣體都是空氣，氧氣在各個地方分布的濃度都相同，因而試驗(yàn)測量后，對比有激波和無激波作用的時候，壁面的氧氣分壓的變化就得到由于第1個原因?qū)τ诒诿嫜鯕夥謮旱挠绊憽?/p>

2、在有激波和無激波的情況下，冷卻氣體采用氮?dú)?，主流氣體采用空氣，此時采用壓力敏感漆技術(shù)測量壁面氧分壓的分布，獲得此時該區(qū)域氧分壓升高的量。此時得到的氧分壓升高的量是由于第1個原因和第2個原因同時作用造成的。

3、將步驟2得到的氧分壓升高的量去掉步驟1獲得的氧分壓升高的量，得到在激波作用下，主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓升高的量。由于通過第1組試驗(yàn)已經(jīng)獲得了第1個原因的影響規(guī)律，因而去掉第1個原因的影響后，就可以得到主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣濃度升高從而引起氧分壓的升高的量，從而得到激波對主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)程度有多大。

下面結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法，具體過程為：

如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)置一基于壓力敏感漆測量的試驗(yàn)裝置，包括一待測試高溫部件1，待測試高溫部件1從上到下依次設(shè)置有主流通道3和超聲速氣膜冷卻流通道4和受保護(hù)壁面2，超聲速氣膜冷卻流通道4內(nèi)設(shè)置有冷卻流噴嘴5，超聲速氣膜冷卻通道4通過管路并聯(lián)連接位于待測試高溫部件1外側(cè)的空氣氣源6和氮?dú)鈿庠?，位于待測試高溫部件1的正上方固定設(shè)置有用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的相機(jī)8，用于對待測試高溫部件1內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

超聲速流場中，正常情況下，當(dāng)高溫主流9流入主流通道3后，通過超聲速氣膜冷卻流通道4引入冷卻流體經(jīng)冷卻流噴嘴5噴入冷卻氣體對受保護(hù)壁面2進(jìn)行熱保護(hù)；高溫主流9流體遇到激波發(fā)生器后，將誘發(fā)產(chǎn)生一道激波，激波將橫貫流場最終作用在受保護(hù)壁面2附近的冷卻氣體邊界層，進(jìn)而對超聲速氣膜冷卻造成影響。

基于上述試驗(yàn)裝置，本發(fā)明的基于壓力敏感漆測量激波增強(qiáng)超聲速氣膜流體混合的方法的實(shí)現(xiàn)過程為：

1)將受保護(hù)壁面2噴涂上壓力敏感漆10；

2)分別開展兩組對比實(shí)驗(yàn)：

①主流氣體和冷卻氣體均為空氣的實(shí)驗(yàn)：

a、在與受保護(hù)壁面2相對的待測試高溫部件1的另一壁面安裝激波發(fā)生器11，打開空氣氣源6，關(guān)閉氮?dú)鈿庠?，空氣經(jīng)超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內(nèi)，對受保護(hù)壁面2進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)8拍攝激波作用下受保護(hù)壁面2上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為受保護(hù)壁面壓力敏感漆的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)前通過一組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的光強(qiáng)和壓力值的關(guān)系曲線，從而可以得出受保護(hù)壁面處的氧氣分壓分布數(shù)據(jù)；

b、拆卸掉激波發(fā)生器11，打開空氣氣源6，關(guān)閉氮?dú)鈿庠?，空氣經(jīng)超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內(nèi)，對受保護(hù)壁面2進(jìn)行保護(hù)，此時通過相機(jī)8拍攝無激波作用下受保護(hù)壁面2上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

②主流氣體為空氣，冷卻氣體為氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)：

a、在與受保護(hù)壁面2相對的待測試高溫部件1的另一壁面安裝激波發(fā)生器11，關(guān)閉空氣氣源6，打開氮?dú)鈿庠?，氮?dú)饨?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內(nèi)，對受保護(hù)壁面2進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)8拍攝激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

b、拆卸掉激波發(fā)生器11，關(guān)閉空氣氣源6，打開氮?dú)鈿庠?，氮?dú)饨?jīng)超聲速氣膜冷卻流通道4和噴嘴5噴入主流通道3內(nèi)，對受保護(hù)壁面進(jìn)行保護(hù)，此時相機(jī)8拍攝無激波作用下受保護(hù)壁面上壓力敏感漆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

3)對上述得到的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和分析，可以獲得：

激波作用下由于流體壓力本身變化導(dǎo)致的氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)；

激波作用下由于流體壓力本身變化以及流體混合增強(qiáng)雙重作用下的氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)。

4)通過比對上述兩組數(shù)據(jù)，去掉由于流體壓力本身變化導(dǎo)致的氧氣分壓力變化的影響后，就可以得到在激波作用下，由于主流氣體和冷卻氣體的摻混增強(qiáng)導(dǎo)致壁面處氧氣分壓力變化的數(shù)據(jù)，從而得到激波對主流和冷卻流的摻混增強(qiáng)程度。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中方法的各實(shí)施步驟都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。