高麗敏， 李永增， 張帥， 蔡明

1.西北工業(yè)大學 動力與能源學院， 西安 710072 2.西北工業(yè)大學 先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心， 西安 710072

擴壓葉柵剪敏液晶試驗與圖像處理

高麗敏1,2,*， 李永增1,2， 張帥1,2， 蔡明1,2

1.西北工業(yè)大學 動力與能源學院， 西安 710072 2.西北工業(yè)大學 先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心， 西安 710072

基于剪敏液晶涂層(SSLCC)材料的光學特性，發(fā)展了適合于內流場狹小空間環(huán)境下的SSLCC邊界層流動顯示技術：設計并加工了微型攝像頭-發(fā)光二極管(LED)組合式圖像采集設備解決拍攝光路問題；基于二維SSLCC圖像與三維模型的空間映射關系，建立了真實模型的三維重構方法；通過SSLCC圖像光譜Hue色相值轉化，實現了液晶圖像信息的定量分析。以西北工業(yè)大學高亞聲速平面葉柵風洞為平臺，開展了某擴壓葉柵吸力面邊界層流態(tài)的剪敏液晶流動顯示試驗。結果表明：所發(fā)展的剪敏液晶顯示技術可進行葉柵內流場邊界層的流態(tài)測量；所建立的圖像處理方法可為邊界層流動特征的辨識及其特征位置確定提供技術支撐；在來流馬赫數為0.12、攻角為0° 的條件下，葉片吸力面邊界層沿流向依次經歷了層流邊界層分離、再附著及轉捩為湍流狀態(tài)的過程，且邊界層的發(fā)展受葉柵角區(qū)分離流動影響，造成其前緣分離區(qū)減小，再附著點和邊界層轉捩位置向前緣移動。

剪敏液晶涂層(SSLCC)； 風洞； 葉柵； 邊界層； 圖像處理

壓氣機內部邊界層流動對其性能有著重要的影響。一方面，邊界層分離流動誘發(fā)葉片通道的阻塞，進而引起壓氣機不穩(wěn)定工作；另一方面，邊界層的流動狀態(tài)顯著影響固體壁面與流體之間的熱傳導特性，從而影響整機性能。影響邊界層流動特性的因素眾多，在當前尚無完善的轉捩、湍流模型的情況下，對邊界層的數值研究及預測存在很大的局限性。因此，開展邊界層流動的試驗研究具有重要的現實意義。

傳統(tǒng)葉片邊界層流動的測量方法多基于磨阻天平、靜壓孔、邊界層耙等[1]，這些測量方法引入的測量裝置會干擾流場，而且其單點測量的方式無法同時獲得連續(xù)面域結果。隨著實驗流體力學的發(fā)展，Laser Doppler Velocimetry (LDV)[2]、Particle Image Velocimetry (PIV)[3]、熱膜[4]等先進的測量技術也被應用其中，但其較高的操作難度和成本限制了其廣泛應用?；诩裘粢壕繉?Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating, SSLCC)的流動顯示技術是近20年發(fā)展起來的一種非接觸光學流動顯示技術[5-6]，利用剪敏液晶涂層在剪切作用下反射不同波長可見光的特性測量表面剪切應力，具有流場干擾小、能實現面域測量、結果直觀等優(yōu)勢，已被用在飛行器試驗中[7-12]，展現出良好的應用前景。

目前多數SSLCC的應用仍局限在平板或機翼翼面等小曲率大尺度模型條件下進行[13-16]。對于葉輪機械轉子或葉柵流場等內流場環(huán)境中的應用較少，一方面由于空間尺寸等條件限制了試驗中的光路布置，另一方面由于試驗件曲率較大，所拍攝二維圖像扭曲變形嚴重，流場識別存在一定困難。

基于剪敏液晶的光學特性，結合內流場試驗環(huán)境的特點，本文對葉柵風洞吹風條件下擴壓器葉柵邊界層流動顯示技術進行了探索，發(fā)展了基于圖像三維重構及Hue值分析的圖像后處理方法，實現了風洞內流場葉片邊界層流動測量，并基于SSLCC圖像研究了葉片邊界層流態(tài)發(fā)展規(guī)律。

1 剪敏液晶流動顯示原理

剪敏液晶材料具有螺旋狀的分子排列結構(見圖1[9])，其螺距與可見光波長相當，在白色光照射下，所反射可見光的波長與螺距成比例。吹風環(huán)境下，壁面邊界層黏性剪切作用使液晶分子排列結構會發(fā)生變化(螺距、螺旋軸傾角改變)，而造成其反射可見光的波長產生變化，從而呈現出不同的顏色[5]。而邊界層流動狀態(tài)的改變造成黏性剪切應力的變化，液晶分子結構也隨之改變，最終表現為剪敏液晶涂層顏色的差別。由此，可建立起涂層顏色與邊界層流動狀態(tài)的關系，進而實現邊界層流動狀態(tài)辨識。

此外，液晶材料顯色具備極強的方向性，如圖2(a)所示，當視角與氣流方向同向時，觀察到的涂層色彩變化最明顯；反之，如圖2(b)所示，視角與氣流方向相反時，涂層顏色變化最弱，幾乎看不到變化。因此，通過合理設計光路布局，剪敏液晶涂層可用于邊界層分離區(qū)的識別[16]。

圖1 剪敏液晶分子結構[9] Fig.1 Molecular structure of shear-sensitive liquidcrystal[9]

圖2 剪敏液晶涂層顯色的方向特性[9]Fig.2 Directional color rendering properties of SSLCC[9]

2 試驗方案

本文試驗在西北工業(yè)大學翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室(葉柵分室)的葉柵風洞完成，其葉柵進口最大馬赫數Mamax=0.9，風口面積為100 mm×50 mm。試驗使用擴壓器葉柵如圖3所示，該葉柵共6個葉片，葉片弦長為56.73 mm，柵距為50 mm，葉型彎角約28°。

試驗使用英國Hallcrest公司生產的CN/R3型剪敏液晶，該型液晶屬于膽甾相(Cholesteric)液晶，在0～65 ℃的范圍內對溫度不敏感，黏性值為4.5 Pa·s。為了避免葉片自身反光對結果的影響，在噴涂涂料前首先在葉片表面噴涂一層黑色底漆，之后將用丙酮稀釋后的涂料均勻噴涂在葉片表面，最終噴涂效果如圖4所示，在無應力狀態(tài)下液晶涂料呈均勻的暗紅色。

圖3 風洞試驗所用葉柵Fig.3 Cascade for wind tunnel test

圖4 噴涂SSLCC的葉片Fig.4 Blade coated with SSLCC

為保證葉柵的特性，試驗葉片處于葉柵的中間位置，葉片之間存在遮擋，此外葉形彎角導致葉片型面曲率較大，加之葉柵風洞幾何尺寸狹小，試驗中圖像采集設備及光源的空間布置面臨巨大困難。為了解決風洞內的光路布置及圖像采集問題，本文設計并加工了如圖5所示的微型攝像頭和發(fā)光二極管(LED)組合式圖像采集裝置，其分辨率為320像素×240像素，光源色溫約6 500 K，整體尺寸約35 mm×9 mm。安裝狀態(tài)下，傳感器迎風面積小于50 mm2。如圖6所示，組合式傳感器安裝在距葉柵前緣約10 cm的風洞壁面，避開所拍攝葉片的來流方向，盡可能減小對來流的影響。

圖7為未吹風狀態(tài)下拍攝效果。光源較好照亮葉片表面的SSLCC，能清晰地分辨出葉片表面全部10個靜壓孔位置，由靜壓孔的弦長坐標可知，所拍攝圖像覆蓋了0～80%弦長范圍內除前緣角區(qū)外的絕大部分葉片，滿足試驗中圖像采集的要求。

圖5 微型攝像頭-LED圖像采集裝置Fig.5 Microcamera-LED image acquisition device

圖6 圖像傳感器安裝位置Fig.6 Installation position of the image sensor

試驗測量系統(tǒng)如圖8所示，通過風洞控制裝置調節(jié)風洞來流工況，同時通過計算機端的圖像采集軟件控制圖像傳感器進行拍攝。

圖7 圖像傳感器風洞內拍攝效果 Fig.7 Image taken by the image sensor in the windtunnel

圖8 測量系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of the measurement system

3 試驗圖像后處理

3.1 涂層圖像的三維重構

圖9 i=0°、Ma=0.12工況葉片原始圖像Fig.9 Raw image of the blade at i=0° and Ma=0.12

圖9為氣流攻角i=0°、Ma=0.12下所拍攝的原始圖像，顯然，采用本文設計的圖像采集裝置及方案能清晰地捕捉到SSLCC圖像。然而，由于葉片表面的彎曲以及拍攝角度引起的透視效果，原始圖像不可避免地存在扭曲、變形。為了獲得所拍攝二維圖像與真實葉片之間的空間對應關系，本文將課題組發(fā)展的光學測量試驗圖像三維重構方法[17-19]進行了應用，采用直接線性轉換公式對所獲得的剪敏液晶圖像進行三維重構，其表達式為

國際市場：國際磷酸二銨價格漲跌互現。需求方面，受盧比貶值影響，印度對中國貨源的采購進一步放緩。自4月份至今，印度已采購二銨420萬噸，后期仍存需求缺口。上周印度市場共采購20萬噸二銨，中國貨源5萬噸，成交價CFR 428美元/噸，其他來自約旦、沙特和美國。巴基斯坦國內銷售增加，二銨庫存量走低。中國企業(yè)報價堅守FOB 415美元/噸左右，企業(yè)持續(xù)挺價。

(1)

(2)

式中：x、y為試驗所拍攝二維圖像的橫坐標與縱坐標；X、Y、Z為葉片表面標記點的真實三維坐標；L1～L11為11個坐標轉換參數。將葉片表面標記點的真實坐標及對應的圖像中二維像素坐標代入式(1)、式(2)，利用最小二乘法求解得到的矛盾方程組,獲得變換系數L1～L11，從而得到轉換公式。依次將葉片表面的三維空間坐標代入直接線性轉換公式,將二維圖像中對應點的信息賦予三維模型。

三維重構后某角度下葉片剪敏液晶圖像如圖10所示。經過重構，原始圖像上的二維色彩信息被映射到葉片的三維空間曲面上，獲得了真實葉片表面的SSLCC圖譜；而且可以根據研究需要，提取任意位置和方向上的色彩信息，為進一步分析邊界層流動特征提供了條件。

圖10 某角度下三維重構后的SSLCC圖像Fig.10 Image of SSLCC after 3D reconstrution at some view

3.2 涂層顏色圖譜Hue值轉化

對于色彩信號的分析通常借助于孟塞爾色彩坐標系[20]，使用色相值Hue表示不同的顏色，Hue值與可見光波長一一對應。對于剪敏液晶而言，所感受的剪切應力對應確定的反射光波長，因此，SSLCC圖像的真實色譜是邊界層黏性剪切應力的單值函數，通過對剪敏液晶材料進行標定[21-23]，便可以建立起涂層色譜Hue值與剪切應力之間的函數關系。

在研究擴壓器葉柵邊界層流動時，往往不關心邊界層黏性剪切應力的絕對值，而更關注葉片邊界層流動的發(fā)展變化特征，因此，在視角一定的前提下，分析剪敏液晶圖像Hue值的變化趨勢，可實現對邊界層流動特征的辨識。

圖像采集裝置所拍攝的剪敏液晶彩色圖像為RGB格式圖像，其Hue值的轉化為

(3)

(4)

式中：R、G、B分別代表色彩的紅(Red)、綠(Green)、藍(Blue)分量。

將葉片SSLCC圖像中每個空間像素點進行Hue值轉化，獲得葉片表面SSLCC涂層的Hue值分布(圖中顏色為Hue值偽彩色)，如圖11所示，圖中橫縱坐標分別采用弦長和葉高進行無量綱化，Hue值采用其最大值進行無量綱化。SSLCC圖像中的顏色變化通過Hue值大小清晰地反映出來，顏色發(fā)生改變的位置，Hue值出現階躍(如圖中虛線所示)，對其位置確定更為直觀。

圖11 i=0°、Ma=0.12時SSLCC Hue值圖譜Fig.11 Hue value map of SSLCC at i=0° and Ma=0.12

4 試驗結果分析

4.1 SSLCC的色譜(RGB)圖分析

對i=0°、Ma=0.12工況SSLCC圖像進行三維重構，得到三維RGB圖譜如圖12所示，圖中3個角區(qū)由于拍攝角度原因未獲得其圖像，涂層色譜呈現黑色。分析有效區(qū)域的圖譜信息，根據其顏色變化，可將其沿流向劃分為Ⅰ～Ⅳ 4個區(qū)域。

靠近葉片前緣的Ⅰ區(qū)域，涂層顏色與下游明顯不同，原因是葉片前緣氣流由于突然加速出現閉式分離泡，分離泡內近壁面氣流方向與主流方向相反，即逆拍攝方向，由于剪敏液晶材料顯色的方向性，涂層顏色變化最不明顯，接近未吹風狀態(tài)的暗紅色。在Ⅰ區(qū)域結束的A點處，分離流再附著，剪切應力方向發(fā)生改變，同時再附著位置的邊界層在壁面法向速度梯度出現極大值，較零應力狀態(tài)SSLCC顏色變化最明顯，沿葉片展向形成一道橙色分界線；在Ⅱ區(qū)域，隨著邊界層向下游發(fā)展，邊界層內壁面法向的速度梯度逐漸減小，邊界層黏性剪切應力隨之減小，SSLCC顏色逐漸由橙色變?yōu)榫G色；在Ⅲ區(qū)域的開始位置，SSLCC顏色再次出現明顯改變，由綠色變?yōu)榧t色，根據葉片表面邊界層的流動特性可知，此處邊界層由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉捩，邊界層內剪切應力大小隨之增大，SSLCC顏色也相應發(fā)生改變；0.7倍弦長之后的Ⅳ區(qū)域，由于葉片彎角等原因導致圖像采集過程中該區(qū)域亮度不足，顏色逐漸變暗，已無法分辨圖譜信息。

圖12 i=0°、Ma=0.12時SSLCC三維重構圖像 Fig.12 3D reconstrution image of SSLCC at i=0° and Ma=0.12

沿葉片展向看，由于平面葉柵葉片的對稱性，以50%葉高為中心，葉片SSLCC圖譜基本上下對稱。值得注意的是，SSLCC圖譜中顏色分界線在上下端壁附近受到角區(qū)流動影響，向前緣方向偏轉。

4.2 Hue色相值分析

SSLCC色譜圖僅能對邊界層流動信息進行初步的定性描述，如圖12中Ⅱ、Ⅲ區(qū)域內顏色變化較小，但包含邊界層轉捩起止位置等重要信息。因此，對所關注區(qū)域內邊界層特征位置的精確判斷可以借助Hue值曲線進行分析。圖13給出了50%葉高位置Hue值隨弦長的變化曲線。Hue值曲線清晰地顯示出涂層顏色發(fā)生變化的特征位置。從Hue值大小沿弦長總體趨勢看，邊界層分離區(qū)(Ⅰ區(qū)域)內Hue值較高。A點約為8%弦長位置，分離泡在此處再附著，涂層顏色明顯改變，Hue值發(fā)生階躍。邊界層層流階段(Ⅱ區(qū)域)涂層顏色總體呈現綠色且變化不大，Hue值較低且趨于穩(wěn)定。約30%弦長處B點位置，涂層顏色由綠色開始變?yōu)榧t色,邊界層開始轉捩，相應的Hue值開始增長，在C點約38%弦長位置，Hue值達到極大值，對應轉捩結束的位置。邊界層轉捩為湍流狀態(tài)(Ⅲ區(qū)域)，涂層顏色維持暗紅色沒有明顯變化，Hue值穩(wěn)定在較高水平。70%弦長之后的Ⅳ區(qū)域，由于涂層畫面變暗，Hue值也逐漸減小。由此可見Hue值曲線將圖層顏色的變化情況以量化的數值形式體現出來，對特征位置的判斷更直觀、準確。

受角區(qū)分離流動影響，沿葉片高度方向SSLCC圖譜(圖12)中顏色變化分界線在端壁附近明顯向前緣偏折。提取9.5%弦長位置Hue值隨葉高的變化曲線，如圖14(a)所示，曲線在0～87%范圍內Hue值大小相對穩(wěn)定，保持在0.6附近。在曲線93%以上范圍，處于圖12中SSLCC圖譜左上角的黑色區(qū)域，Hue值為0。在87%～93%葉高之間，Hue值明顯減小，結合圖12中顏色分界線以及圖13中Hue值在分離再附著點前后的大小變化可知，在該弦長位置，87%～93%葉高之間的區(qū)域處于分離再附著點(A點對應的分界線)之后，Hue值較小；而87%葉高以下的范圍仍處于分離再附著點之前，Hue值較大。由此可見，靠近端壁的較高葉高位置，前緣分離再附著點更靠前，即角區(qū)流動造成了葉片前緣的邊界層分離區(qū)減小，分離泡再附著點前移。

圖14(b)給出了20%弦長位置Hue值隨葉高的變化曲線，在0～98%葉高范圍內曲線曲折波動，結合圖11中Hue值圖譜可知，這是由于不同葉高處涂層顏色有所區(qū)別造成的Hue值波動，但顏色變化較小，隨葉高的變化Hue值基本穩(wěn)定在0.1～0.2。98%葉高以上曲線明顯上揚，Hue值從0.25增加到0.5以上，結合圖12中顏色分界線以及圖13中Hue值在分離再附著點前后的大小變化可知，98%葉高以下的邊界層處于層流狀態(tài)，Hue值較??；98%葉高以上邊界層已經為湍流狀態(tài)，Hue值較大。由此可見，端壁附近邊界層更早地進入湍流狀態(tài)，即角區(qū)分離流動造成邊界層轉捩位置的提前。

圖13 i=0°、Ma=0.12時50%葉高Hue值隨弦長的變化 Fig.13 Hue values vs chords of 50% span at i=0° and Ma=0.12

圖14 i=0°、Ma=0.12時不同弦長位置Hue值隨葉高的變化Fig.14 Hue values vs spans of different chord positions at i=0° and Ma=0.12

5 結 論

1) 發(fā)展了一套葉柵風洞內流場環(huán)境下基于剪敏液晶材料測量葉柵邊界層流動的方法，利用該方法可以實現葉片表面邊界層流動特征辨識，清晰地捕捉到邊界層分離、再附、轉捩等流動現象。

2) 發(fā)展了基于圖像三維重構、Hue色相值量化分析等手段的剪敏液晶圖像處理方法，通過該方法可以進行SSLCC圖像的空間還原，以及邊界層發(fā)展特征的量化分析。

3) 分析葉片吸力面邊界層沿流向的發(fā)展規(guī)律發(fā)現，葉片表面邊界層流動較為復雜，葉片吸力面邊界層沿流向依次經歷了分離、再附著以及由層流轉捩為湍流的過程。

4) 分析葉片吸力面邊界層沿葉高方向的分布規(guī)律發(fā)現，角區(qū)分離流動造成了葉片前緣分離區(qū)減小，分離泡再附著點前移；同時造成邊界層轉捩位置的提前。

[1] 范潔川. 飛行中附面層轉捩的流動顯示與測量技術[J]. 飛行力學, 1998, 16(1): 80-84.

FAN J C. Flow visualization and measurement technique of boundary layer transition used in flight test[J]. Flight Dynamics, 1998, 16(1): 80-84 (in Chinese).

[2] 尹軍飛, 王瑞琪, 余少志， 等. 激光測速測量湍流分離-再附流動[J]. 航空學報, 1990, 11(5): 257-261.

YIN J F, WANG R Q, YU S Z, et al. LDV measurement of a turbulent separation-reattachment flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1990, 11(5): 257-261 (in Chinese).

[3] 陳釗, 郭永彩, 高潮. 三維PIV原理及其實現方法[J]. 實驗流體力學, 2006, 20(4): 77-82, 105.

CHEN Z, GUO Y C, GAO C. Principle and technology of three-dimensional PIV[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006, 20(4): 77-82, 105 (in Chinese).

[4] 趙偉國, 宋執(zhí)環(huán), 黃震威, 等. 基于熱膜探頭的新型氣體流量傳感器研究[J]. 儀器儀表學報, 2009, 30(5): 1073-1077.

ZHAO W G, SONG Z H, HUANG Z W, et al. Study on new gas flow sensor based on hot-film probe[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009, 30(5): 1073-1077 (in Chinese).

[5] 李昌立, 孫晶, 蔡紅星, 等. 膽甾相液晶的光學特性[J]. 液晶與顯示, 2002, 17(3): 193-198.

LI C L, SUN J, CAI H X, et al. Optical properties of phlesteric liquid crystals[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2002, 17(3): 193-198 (in Chinese).

[6] 張松鵬, 張向軍, 田煜, 等. 采用液晶涂層測量介質流與壁面間剪切應力的定量模型與試驗研究[J]. 物理學報, 2012, 61(23): 234702.

ZHANG S P, ZHANG X J, TIAN Y, et al. A quantitative model and experimental investigations of wall shear stress between solid and gaseous fluid using liquid crystal coating[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(23): 234702 (in Chinese).

[7] HOLMES B J, GALL P D, CROOM C C, et al. A new method for laminar boundary layer transition visualization in flight: Color changes in liquid crystal coatings: NASA-TM-87666[R]. Washington, D.C.: NASA, 1986.

[8] MEE D J, WALTON T W, HARRISON S B, et al. A comparison of liquid crystal techniques for transition detection: AIAA-1991-0062[R]. Reston， VA: AIAA, 1991.

[9] 陳星, 畢志獻, 宮建, 等. 基于剪敏液晶涂層的光學摩阻測量技術研究[J]. 實驗流體力學, 2012, 26(6): 70-74.

CHEN X, BI Z X, GONG J, et al. Optical skin friction measurement using shear-sensitive liquid-crystal coatings[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6): 70-74 (in Chinese).

[10] 劉波, 王掩剛, 朱柱國, 等. 低速渦輪葉柵風洞中葉片表面邊界層轉捩圖像捕捉[J]. 流體力學實驗與測量, 2003, 17(1): 1-5.

LIU B, WANG Y G, ZHU Z G, et al. Boundary layer transition detection on blade surface in low speed turbine cascade wind tunnel[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2003, 17(1): 1-5 (in Chinese).

[11] ANDERSON B T, MEYER R R, CHILES H R. Techniques used in the F-14 variable-sweep transition flight experiment[J]. Journal of Aircraft, 1991, 28(10): 622-629.

[12] SMITH S C. Use of shear-sensitive liquid crystals for surface flow visualization[J]. Journal of Aircraft, 1992, 29(2): 289-293.

[13] REDA D C, MURATORE J J. Measurement of surface shear stress vectors using liquid crystal coatings[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1576-1582.

[14] WILDER M C, REDA D C. Uncertainty analysis of the liquid crystal coating shear vector measurement technique[C]//20th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference. Reston, VA: AIAA, 1998: 1-11.

[15] IRELAND P T, JONES T V. Liquid crystal measurements of heat transfer and surface shear stress[J]. Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 969-986.

[16] REDA D C, WILDER M C. Shear-sensitive liquid crystal coating method applied through transparent test Surfaces[J]. AIAA Journal, 2001, 39(1): 195-197.

[17] 高麗敏, 韋楠, 高杰, 等 基于內流場PSP測量技術的圖像后處理[J]. 實驗流體力學, 2013, 27(1): 93-97.

GAO L M, WEI N, GAO J, et al. Image processing of PSP technique in the internal flow[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(1): 93-97 (in Chinese).

[18] 高麗敏, 高杰, 謝建, 等. 圖像三維重構在葉片表面壓力測量的應用[J]. 工程熱物理學報, 2012, 33(9): 1523-1526.

GAO L M, GAO J, XIE J, et al. Application of image 3D reconstrution to pressure measurement on blade surface[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(9): 1523-1526 (in Chinese).

[19] 高麗敏, 高杰, 王歡, 等. PSP技術在葉柵葉片表面壓力測量中的應用[J]. 工程熱物理學報, 2011, 32(3): 411-414.

GAO L M, GAO J, WANG H, et al. Application of PSP technique to pressure measurement on cascade surface[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(3): 411-414 (in Chinese).

[20] 劉偉奇, 馮睿. 孟塞爾顏色系統(tǒng)與人眼主觀亮度的關系[J]. 光學精密工程, 1998, 6(3): 31-35.

LIU W Q, FENG R. The relation between Munsell color system and visual perception brightness[J]. Optics and Precision Engineering, 1998, 6(3): 31-35 (in Chinese).

[21] 范瑋, 呂品. 熱敏液晶測溫標定及誤差分析[J]. 航空發(fā)動機, 2009, 35(1): 50-52.

FAN W, LV P. Calibration and error analysis of temperature measurement for thermal sensitive liquid crystal[J]. Aeroengine, 2009, 35(1): 50-52 (in Chinese).

[22] 韓振興, 邸倩倩, 李志宏, 等. 熱敏液晶定量測溫系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學報, 2006, 27(7): 679-682.

HAN Z X, DI Q Q, LI Z H, et al. Quantitative temperature measurement system with thermochromic liquid crystal[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(7): 679-682 (in Chinese).

[23] 韓振興. 熱敏液晶測溫技術及其在平板氣膜冷卻實驗中的應用[D]. 北京: 中國科學院工程熱物理研究所, 2005.

HAN Z X. Liquid crystal thermography and its application in film cooling on flat plate[D]. Beijing： Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Aeademy of Sciences, 2005 (in Chinese).

(責任編輯： 鮑亞平， 王嬌)

*Corresponding author. E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

Experimental research on diffuser cascade using shear-sensitive liquid crystal and image processing

GAO Limin1,2,*, LI Yongzeng1,2, ZHANG Shuai1,2, CAI Ming1,2

1.CollegeofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China2.CollaborativeInnovationCenterofAdvancedAero-Engine,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Based on the optical properties of shear-sensitive liquid crystal coating (SSLCC), a boundary layer visualization technology is developed in narrow space of wind tunnel. A mirco camera-LED combined image acquisition device is designed and processed to achieve the SSLCC image. A three-dimensional image reconstruction method is proposed based on the mapping relation between SSLCC image and the three-dimensional model. The information of the SSLCC image is analyzed quantitatively based on Hue value transformation of the SSLCC image. Based on the high subsonic linear cascade wind tunnel in Northwestern Polytechnical University, an experimental study is carried out on the boundary layer of a diffuser cascade using SSLCC. The results show that the boundary layer visualization technology developed in this paper can be used forboundary layer measurement of the linear cascade. The method proposed can provide technical support for the identification of the boundary layer characteristics and the determination of the feature location. At Mach number 0.12 and angle of attack 0°, the boundary layer on the suction side of the blade goes through a process of separation, reattachment and transition, the boundary layer is affected by the cascade corner separation flow, the separated region is reduced, and the location of reattachment and transition move towards the leading edge.

shear-sensitive liquid crystal coating (SSLCC); wind tunnel; cascade; boundary layer; image processing

2016-11-24； Revised： 2017-01-01； Accepted： 2017-03-06； Published online： 2017-04-06 10:33

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170406.1033.006.html

National Natural Science Foundation of China (51236006)

V231.3

A

1000-6893(2017)09-520981-09

2016-11-24； 退修日期： 2017-01-01； 錄用日期： 2017-03-06； 網絡出版時間： 2017-04-06 10:33

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170406.1033.006.html

國家自然科學基金 (51236006)

*通訊作者.E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

高麗敏， 李永增， 張帥， 等． 擴壓葉柵剪敏液晶試驗與圖像處理[J]． 航空學報, 2017, 38(9): 520981. GAO L M, LI Y Z, ZHANG S, et al. Experimental research on diffuser cascade using shear-sensitive liquid crystal and image processing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 520981.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.620981