Краски, чувствительные к давлению (PSP) - это оптические датчики для измерения поверхностного давления. На поверхность наносится покрытие, похожее на краску, и люминесценция краски, возбуждаемая светодиодной лампой определенной длины волны, регистрируется камерой. Люминесцентный отклик является функцией местного атмосферного давления на поверхности, и каждый пиксель камеры действует как датчик давления.

В отличие от датчиков давления и датчиков, PSP обеспечивает практически безграничное пространственное разрешение и может быть легко применен и удален с большинства испытательных поверхностей. Более того, оптический отбор проб предоставляет средства для недорогих, не требующих вмешательства, измерений поверхностного давления и температуры в полном поле на очень ранних этапах цикла проектирования, что позволяет значительно улучшить понимание аэродинамики и основных данных о силе и моменте. 

Точное определение пространственно непрерывных распределений давления на аэродинамических испытательных поверхностях имеет решающее значение для понимания механизмов сложных потоков и для сравнения с моделями вычислительной гидродинамики.

Модель C-5M Super Galaxy, окрашенная чувствительной к давлению краской (фото ВВС США). Чаще всего PSP используется в исследованиях в аэродинамической трубе в качестве инструмента проверки для моделей вычислительной гидродинамики (CFD), определенных условий потока над моделью самолета. Аэродинамические трубы, от небольших академических низкоскоростных аэродинамических труб до крупномасштабных трансзвуковых исследовательских аэродинамических труб и гиперзвуковых аэродинамических труб используют PSP для тестирования и проверки моделей уже более 20 лет. Сегодня PSP продолжает оставаться ценным ресурсом в правительственных и коммерческих испытаниях самолетов, вертолетов, автомобилей, высокоскоростных поездов, мостов и архитектурных моделей и их компонентов. PSP также используется в качестве инструмента для измерения эффективности  охлаждения в конструкции лопаток газотурбинного двигателя.

Светодиоды ISSI освещают модель высокоскоростной аэродинамической трубы SAAB Gripen во время испытания чувствительной к давлению краски в Ассоциации исследований самолетов в Англии

Отводы давления предоставляют информацию только в отдельных точках, а их интеграция на испытательную поверхность требует времени, трудозатрат и дорого. Кроме того, эти устройства могут нарушить аэродинамику испытательной поверхности и структурную динамику, поскольку они могут вызвать смещение системы. Наконец, краны давления подвержены выходу из строя, особенно для турбомашин или приложений с экстремальными температурами.

Технология окраски, чувствительной к давлению, стала альтернативой для определения статических и переходных полей поверхностного давления для аэродинамических применений. В этом подходе чувствительность к давлению основана на тушении люминесцентных молекул молекулярным кислородом (O2), диспергированных в пленке, нанесенной на тестовую поверхность. При соответствующем возбуждении захваченные частицы зонда будут люминесцировать с интенсивностью, обратно пропорциональной парциальному давлению O2. Поскольку O2 представляет собой постоянную долю воздуха, этот метод можно использовать для определения местного давления на поверхности.

Модель PSP для высокоскоростной аэродинамической трубы SAAB Gripen Результаты исследования Ассоциации авиационных исследований в Англии

Как работают краски, чувствительные к давлению?

Типичная краска PSP состоит из чувствительной к кислороду флуоресцентной молекулы, заключенной в проницаемое для кислорода связующее. Метод PSP основан на чувствительности определенных люминесцентных молекул к присутствию кислорода. После нанесения, PSP возбуждается светодиодом высокой интенсивности, как правило, источником УФ 400 нм. Когда люминесцентная молекула внутри PSP поглощает фотон от светодиода, она переходит в возбужденное синглетное энергетическое состояние. Затем молекула возвращается в основное состояние за счет излучения фотона с большей длиной волны (с красным смещением). Когда кислород может взаимодействовать с молекулой, переход в основное состояние является безизлучательным. Этот процесс известен как тушение кислородом. Скорость, с которой эти два процесса конкурируют, зависит от парциального давления кислорода на поверхности PSP. Более высокая скорость тушения кислородом приводит к более низкой интенсивности света, излучаемого слоем PSP. И наоборот, более низкая скорость тушения кислородом приводит к более высокой интенсивности излучаемого света. Результатом является выходной сигнал с поверхности модели различной интенсивности, основанный на локальной концентрации кислорода, которая напрямую коррелирует с местным барометрическим давлением. Выходной сигнал PSP записывается чувствительной научной камерой через фильтр длинного прохода, который отделяет возбуждение светодиода от излучения PSP.

После того, как изображения сняты камерой, они сохраняются для последующей обработки. Изображения преобразуются из изображений вариаций интенсивности в изображения давления с использованием предварительно определенной калибровки того же типа краски. Оттуда применяются карты ложных цветов, чтобы лучше визуализировать градиенты давления на поверхности модели. Данные могут быть нанесены на график и сравнены с показателями давления, если они есть. Типичное испытание PSP находится в пределах 5% от данных реального значения давления.

PSP тест

Итак, что PSP может для вас сделать? PSP используется повсюду, от небольших академических аэродинамических труб до крупномасштабных коммерческих и государственных испытательных центров, чтобы обеспечивать измерения давления с высоким разрешением для сравнения CFD, расчетов нагрузок и проверки моделей.

Дельта-крыло окрашено с помощью PSP (слева), данные PSP после постобработки (справа)

Модель аэродинамической трубы, нарисованная с помощью PSP в трансзвуковой аэродинамической трубе ARA (слева), данные PSP в сравнении с отводами давления (справа)

Подготовка модели ракеты SLS (слева), модель ракеты SLS, светящаяся розовым светом под УФ-светодиодами (Фото: Д. Харт / Исследовательский центр Эймса НАСА)

Установка PSP с пленочным охлаждением в небольшой аэродинамической трубе (слева), результаты PSP с пленочным охлаждением (справа)

Измерения эффективности пленочного охлаждения с помощью традиционных систем газового анализа очень хорошо сравниваются с измерениями, полученными с помощью флуоресцентной пленочной системы охлаждения ISSI. Данные любезно предоставлены Wright & Hahn, Texas A&M

Источники ошибок PSP

Основные источники ошибок в данных PSP возникают из-за колебаний освещения и сильных температурных градиентов на окрашенной поверхности. Температурные градиенты возникают из-за неизотермических материалов модели и изменений температуры во время сбора данных, вызванных аэродинамической трубой или испытательной установкой. На низких скоростях эти ошибки более заметны из-за меньших градиентов давления на поверхности модели. Для решения этих проблем двоичная PSP используется. Бинарный PSP работает, получая данные как от чувствительного к кислороду компонента, так и от второго компонента, известного как эталонная молекула. Излучение эталонных и чувствительных к кислороду молекул спектрально не зависит. Цветная камера используется для разделения сигналов от эталонных и чувствительных к кислороду компонентов двоичной PSP. Из этого получают два изображения (одно эталонного и одно чувствительного к кислороду компонента). Выбор соотношения чувствительного к кислороду изображения и эталонного изображения устраняет зависимость от температуры. Это связано с тем, что эталонные и чувствительные к кислороду молекулы имеют одинаковую чувствительность к температуре. Путем отбрасывания температурной зависимости создается идеальный PSP, в котором единственная зависимость зависит от изменения давления.

Быстро реагирующая краска, чувствительная к давлению

Традиционно PSP использовался для измерения низкочастотных или установившихся изменений давления на модельных поверхностях. Благодаря быстрому развитию светодиодных технологий и высокоскоростных камер, PSP с быстрым откликом также быстро продвинулась вперед за последнее десятилетие. Вместо получения стабильных результатов с помощью традиционного сбора данных PSP, PSP с быстрым откликом использует краски, которые гораздо быстрее реагируют на изменения давления, что приводит к точным данным давления с высоким разрешением с временным разрешением. Благодаря огромному количеству собранных данных (как правило, тысячи изображений для каждого условия испытаний), быстрая PSP выдает непостоянные аэродинамические данные, как никогда раньше. Сегодня быстрые PSP могут измерять колебания давления до 20 кГц. Анализ данных из этих тысяч точек данных приводит к значительному улучшению моделей CFD и полных карт пространственного распределения давления на выбранных частотах.

динамическое изображение

Fast PSP позволяет ученым наблюдать за быстрыми колебаниями давления на модельных поверхностях, как никогда раньше. Обычные методы обнаружения быстрых колебаний давления ограничиваются точечными измерениями. Если датчик окажется не в том месте, он будет пропущен сразу. Используя глобальные данные из быстрого сбора данных PSP, эти колебания довольно легко выявляются. На приведенных выше изображениях показана модель для США, окрашенная с помощью быстрой PSP, модель при УФ-освещении (через фильтр с длинным проходом для отделения УФ-света от излучения краски) и, наконец, обработанные данные PSP с примененной картой ложных цветов. Это только одно из тысячи изображений.

Доступная фасовка краски

Краски, чувствительные к давлению, поставляются в разных количествах. Стандартные количества - 200, 400 и 750 мл.

Краски поставляются в стеклянных банках для нанесения с помощью пневматических пистолетов. Краски Academic выпускаются в аэрозольных баллончиках длялегкого нанесения.