圧力感知粒子を用いた高乱流中の速度―圧力相関のレーザ計測

使用压敏颗粒激光测量高湍流中的速度-压力相关性

• 批准号: 12875037
• 负责人: 池田 裕二
• 金额: $ 0.32万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12875037/
• 关键词: 感圧塗料; 応答性の高い非定常センサー; 多孔質吸着剤; 衝撃波管; カセグレン光学系; H_2TFPP; デジタルローパスフィルター; スクラムジェットエンジン; 超音速燃焼; PSP(Pressure Sensitive Paint); 圧力分布計測; 酸素濃度計測; 時系列圧力計測; LED光源

圧力感知塗料(以下PSP)を塗布した粒子を用いた高乱流中の速度-圧力相関のレーザ計測システムを確立するために,1)PSP計測システムの確立,2)PSP計測の圧力分布測定,3)試験部壁面上の酸素濃度分布計測,4)PSP塗料の時間応答性の調査を行った.そして,このPSP塗料を速度計測用に用いたトレーザ粒子に塗布した場合の問題点を列挙した.まずPSP計測システムの確立を行った.圧力計測分解能を上げるために12bitCCDカメラを用い,LEDを励起光源として用いた.LEDは試験部への取り付けが簡単かつ十分な励起光強度を得た.色素としてS/N比の高いバソフィンルテニウムをTLCプレートあるいはアルミ酸化皮膜に吸着して測定面に取り付けた.上記のPSPを超音速燃焼器内の壁面に塗布して,壁面上圧力分布を捉えた.従来の静圧孔を用いた計測結果と比較して,ステップ下流の合体した再循環域内の圧力分布,燃料ジェット上流の弧状衝撃波の三次元的な形状や燃料ジェット周辺の馬蹄渦の形成など詳しく調べることができた.同じシステムを用いて,PSPの基本原理である酸素クエンチング効果を応用した酸素濃度計測を試みて,噴射ガスを空気,窒素,酸素,ヘリウムと変えて燃焼器壁面近傍の混合場を捉えた.PSP塗料の時間応答性を調べるために,高空間分解能を有するカセグレン光学系によって,衝撃波管ならびに不足膨張噴流による非定常計測を試みた結果H_2TFPPの場合,最大2.5kHzの周波数特性を捉えた.なお,りん光強度に対するショットノイズの影響が大きいために,システムの改良が必要である.以上のようにPSP計測を試みた結果,速度・圧力同時計測では以下のことを考慮しなければならない.亜音速流では常温空気を用いた場合,PSP塗料の温度依存性を考慮しなければならない.また超音速流に適用する場合には,静温範囲が広く,急激な温度変化も生じるために発光強度の温度依存性について校正をする必要がある.粒子に塗料を塗布した場合,粒子径の変化とその重さの変化ならびにその凝集性は,衝撃波通過などの急激な変化に対する追従遅れを生じるため速度計測誤差を生じる原因となる.同一平面上の速度・圧力同時計測を行うためには,PIV計測に用いるレーザシート波長によって励起される塗料であることが望ましい.しかし,パルスレーザであるためにレーザ光と同期する圧力測定用のカメラ露光時間はPSP塗料の時間応答性によって決まる.

建立一个激光测量系统，以使用涂有压力感应油漆的颗粒（以下称为PSP），以高湍流的速度压力相关性，1）建立PSP测量系统的测量，2）PSP测量的压力分布的测量，3）测试量表的氧气浓度分布在壁上的测试表面的分布量为4）。列出了将此PSP涂料应用于用于速度测量的托盘粒子时的问题。首先，建立了PSP测量系统。使用12位CCD摄像机来增加压力测量分辨率，并将LED用作激发光源。 LED易于连接到测试部分和足够的激发光强度。我们在TLC板或氧化铝制膜上吸附了染料的血管联蛋白珠原的高S/N比，并将其连接到测量表面上。将上述PSP应用于超音速燃烧器的壁表面，以捕获壁表面的压力分布。与使用静压孔的常规测量结果相比，我们能够详细研究台阶下游的联合循环区域内的压力分布，燃油射流上游的弧形冲击波的三维形状以及燃油射流周围的马蹄形涡流的形成。使用同一系统，我们尝试使用PSP的基本原理来测量氧浓度，并使用注射气来进行空气，氮，氧气和氦气。捕获了燃烧器墙壁附近的混合场。为了研究PSP涂料的时间响应，我们尝试使用高空间分辨率Casseglen光学系统使用冲击管和不稳定的喷气机进行不稳定的测量，并在H_2TFPP的情况下捕获了高达2.5 kHz的频率特性。此外，由于射击噪声对磷光强度的影响很大，因此需要改进系统。如上所述，PSP测量结果，在同时测量速度和压力时必须考虑以下情况。当使用室温空气进行亚音速流时，必须考虑PSP油漆的温度依赖性。另外，将涂层应用于发光强度时，温度范围很宽，温度变化突然发生，因此有必要校准排放强度的温度依赖性。将油漆涂在颗粒上时，颗粒直径的变化，其重量变化和凝聚力会导致延迟突然变化，例如冲击波传播，这会导致速度测量误差。为了同时测量同一平面上的速度和压力，希望使用用于PIV测量的激光片的波长激发的油漆。但是，由于它是脉冲激光器，因此与激光光同步的压力测量的暴露时间取决于PSP涂料的时间响应。

项目成果

松本尚之: "感圧塗料による非定常圧力計測"日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集. 99-100 (2000)

Naoyuki Matsumoto：“使用压敏涂料进行非稳态压力测量”日本机械工程师学会流体工程分会论文集 99-100 (2000)。

松本尚之: "スクラムジェット燃焼器内混合場におけるPSP計測"可視化情報学会. Vol.21. 337-340 (2001)

Naoyuki Matsumoto：“超燃冲压发动机燃烧室中混合场的 PSP 测量”可视化信息协会，第 21 卷，337-340 (2001)。

松本尚之: "カセグレン光学系を用いた高空間分解能PSP計測"可視化情報学会. Vol.21. 317-320 (2001)

Naoyuki Matsumoto：“使用卡塞格伦光学系统进行高空间分辨率 PSP 测量”可视化信息协会第 317-320 卷（2001 年）。

M.Matsumoto: "PSP Measurement of Flow Fields in a Supersonic Combustor with a Backward-facing Step"Journal of Visualization. Vol.4, No.2. 131-138 (2001)

M.Matsumoto：“具有向后台阶的超音速燃烧器中流场的 PSP 测量”可视化杂志。

M.Matsumoto: "PSP MEASUREMENT OF A JET INJECTED BEHIND A BACKWARD-FACING STEP IN A SUPERSONIC STREAM"The Millennium 9th International Symposium on Flow Visualization, Edinburgh, CD Rom Proceedings. Paper No.427. (2000)

M.Matsumoto：“PSP 测量在超音速流中向后喷射的射流”千年第九届流动可视化国际研讨会，爱丁堡，CD ROM 会议记录。