非定常压力表面测量技术的研究

以空气为工质的流体机械用途极为广泛，对国民经济、国防安全和能源环境等都有极为重要的作用。尤其是在航空航天、能源动力和高速轨道交通领域，航空发动机、重型燃气轮机、高速列车等更是一个国家综合科技实力的象征。第五代战斗机既要有超音速巡航飞行能力，又要有超级机动性和隐身能力。重型燃气轮机的压气机压比超过，复杂的三维叶片不仅要能够高效压缩空气，还要能够克服逆压梯度带来的流动失速和喘振，在很宽的流量范围内稳定工作。高速列车的子弹头气动外形既要保证表面流动阻力最低，还要通过控制涡结构以降低噪音。所有这些相互矛盾的需求都是对空气动力学的巨大挑战。

表面压力测量是科研人员研究空气动力学问题常用的手段之一。这里以航空发动机叶片颤振和叶片设计的典型例子来说明表面压力测量仪器对流体机械发展的重要性。随着航空发动机的发展，发动机叶片在工作中承受的高负荷使得发动机极易发生故障。颤振是叶片振动的一种形式，多年来一直是航空燃气涡轮发动机研制中的难关之一，并多次造成灾难性后果。尤其是在发动机向着高性能发展的背景下，叶片变薄、级压比增加、非定常气动负荷加大等因素导致叶片颤振问题更加突出。对颤振机理的研究需要大量的流场测量数据，从而对流场内部的物理现象进行全面的分析，此时动态表面压力的非定常测量就变得尤为重要。通过测量叶轮机械叶片表面的压力分布可以计算其气动载荷，从而判断其气动弹性稳定性。另外，在叶轮机械叶片叶型的设计上也需要得到精确的叶片表面压力分布，以此作为设计和改进的指导。此外表面压力测量的结果也为验证数值模拟算法和计算流体力学程序的正确性提供评判标准。因此如果能够研发出先进的表面压力测量手段来捕捉和提取流动的非定常信息和三维流场的精细结构，将会对该学科的发展起到重要的推动作用。

对航空发动机而言，旋转失速和喘振非稳定现象实施有效控制要求实时监测压气机状态，对频响的要求非常高，检测和判断必须在数十微秒之内完成，传感器的频响需求可能高达1MHz的级别，然而目前能够满足这个要求的技术相对较少另外低雷诺数低压涡轮经常出现附面层分离和转抿现象，对于附面层转挨过程的测量，则要求测量仪器具有小体积，且对流场影响小的特点。

综上所述，鉴于目前已有的非定常压力表面测量技术均有不足之处，研发基于新原理的高频非定常流场的实时流场显示和测量技术有其必要性和紧迫性。