空气动力学矩形机翼纵向气动特性测量实验.docx

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空气动力学矩形机翼纵向气动特性测量实验

风力机空气动力学实验之二

矩形机翼纵向气动特性测量实验

班级

姓名

实验日期

指导教师

南京工业大学

机械与动力工程学院

2014年11月

一、实验目的

1．了解测力系统三分力天平的工作原理以及天平静力校测的基本方法。

2．通过测定一矩形机翼的升力、阻力和力矩随迎角改变而变化的规律，熟悉风洞实验的基本原理，掌握获得机翼气动特性曲线的实验方法。

二、实验设备及工作原理简介

1．风洞

3

风洞是产生人工气流的设备，其种类繁多。

这次实验所用风洞是三元闭口直流式风洞，如图1所示。

其主要组成部分为收缩段、试验段、扩散段和动力装置。

5

2

1

6

7

4

1─收缩段2—试验段3—扩散段4—风扇

5—安全网6—整流栅7—直流电机

图1闭口直流式风洞

动力装置包括直流电机和风扇。

电机功率为30马力。

风扇转动后，将空气吸入风洞中，通过调节电机转速以获得不同的实验段速度。

收缩段前装有整流栅，整流栅是做成方格状的，用来消除气流中的大旋涡。

气流通过收缩段后，流速增大，这样可使进入试验段的气流较为均匀。

试验段的长度为1.52米，截面是正方形的，面积为0.914×0.914m2，模型放在其中进行试验。

扩散段的功能是使试验段后面的气流减速后再排入大气，以减少能量损失。

2．风速管和U形管压力计：

风速管是测量气流速度的仪器。

如图2所示。

它由内管和外管组成。

内管在其前端开口；外管在其侧表面开小孔。

当风速管迎向气流时，内管口的气流速度将被阻滞为零，此时内管中感受的是当地总压P0，而外管侧表面孔感受的为当地静压P。

根据

P

即得

P0

P

图2风速管

式中：

v—气流速度；ρ—空气密度；总压P0和静压P之差可以通过U形管压力计测出。

U形管压力计是测量压强差的仪器，如图3（a）所示。

测量时将被测量流体压强通过管道引致U形管两端，此时两管的液柱差h即表示被测量的压强差。

它们之间的关系可用下式表示：

式中：

为压力计中液体的比重，单位为N/m3。

为了使目测读数更加精确，常常将压力计倾斜一角度φ。

如图3（b）。

这时测得压强

关系式为

P21

P21

P11

h

P11

o

H

o

o

o

φφ

（a）（b）

图3U形管压力计

3．机械式三分量天平

（1）工作原理

气动力天平是测量作用在模型上的空气动力的仪器。

它和一般测力的天平不同，气动力天平不仅可以测量气动力，并且还可以测量气动力矩。

在进行飞行器的气动力实验时，作用在模型上的总气动力和总气动力矩的确切方向一般是未知的，而气动力天平则具有分解和传递气动力和气动力矩的功能，以分别测量出X、Y和Z方向的分量。

天平可根据能测量多少个力和力矩分量来分类。

我们所做的实验是机翼的纵向气动力实验，只测量升力、阻力和俯仰力矩三个分量，因此使用三分量天平。

其工作原理如图4所示。

机翼模型用三根支杆与天平相连，前支杆（OF）为两根，其接头（F点）约位于翼弦的1/4弦长处，另一支杆AB与机翼后缘伸出的横杆末端相联。

OABF四杆组成一平行四边

K

阻力天秤

升力天秤

刻度盘

Wy

J

O1

O

A

C

E

I

力矩天秤

cc

WM

Wx

D

H

G

C

框架

V

F

B

Mz

X

机翼模型

图4三分力天平工作原理图

Y

形，机翼弦线FB偏转多少度，则AO杆亦偏转同一度数。

在AO杆上固连一指针，即可在刻度盘上读出相应的迎角值，因实验时模型反装，规定指针顺时针旋转模型迎角增大。

松开O处固定螺钉，旋转指针位置然后将固定螺钉拧紧即可改变模型迎角。

当机翼上受绕F点俯仰力矩Mz时，AB杆就有趋势上下移动，于是牵动杆AO，并连同整个刻度盘都绕O1点转动，刻度盘上的C点就上下转动，再通过传动机构CDE，把作用力矩传到力矩天平上，即可量出相应的力矩Mz。

当机翼上受到阻力X作用后，就使整个框架向左偏转，再通过传动机构GHI，就把这个作用力传到阻力天平上，即可量出相应的阻力X。

当机翼受升力Y作用后,就使整个框架上下移动，再通过JK拉杆的作用，就可在升力天平上量出相应的升力Y。

（2）静力校测

天平的校测是通过静校装置，模拟天平工作时的受力状态，对天平施加载荷，得到天平读数与气动力之间的函数关系。

在假设天平读数与载荷之间的关系是线性的条件下，可写出如下的函数关系。

WX=AXXX+AYXY+AMXMz

WY=AXYX+AYYY+AMYMz

（1）

WMz=AXMX+AYMY+AMMMz

其中WX、WY、WMz分别为阻力天平、升力天平和力矩天平的读数，X、Y、Mz为校测天平时所加的载荷阻力、升力和力矩，系数AXX意义为加单位阻力时对阻力天平读数WX的贡献，系数AYX意义为加单位升力时对阻力天平读数WX的贡献，系数AXY为加单位阻力对升力天平读数WY的贡献，其余类推。

若

（1）式的系数矩阵已知，则可解出如下关系。

X=CXXWX+CYXWY+CMXWMz

Y=CXYWX+CYYWY+CMYWMz

（2）

Mz=CXMWX+CYMWY+CMMWMz

（2）式即风洞实验气动力测量应用的公式。

根据天平读数WX、WY、WZ即可计算出模型所受的气动力X、Y、Mz。

式中CXX意义为单位阻力天平读数对阻力的贡献，CYX为单位升力天平读数对阻力的贡献，其余类推。

根据上面分析，首先要求出AXX、AYX、….、AMM.等系数，若校测时同时加X、Y、Mz等载荷，根据

（1）式无法求出上述系数。

根据线性假设各载荷之间无系数的影响，因此可单位加载，例如只加阻力载荷X时

（1）式可写成

WX=AXXX,WY=AXYX,WMX=AxMX（3）

根据（3）式则可求出

AXX=WX/X,AXY=WY/X,AXM=WMz/X

具体阻力加载过程是：

从静校架上a点引出一条钢丝绳，绕过滑轮，接到一个砝码盘上，在砝码盘上加砝码Gd，则钢丝将产生一个数值等于Gd的拉力，使天平受到了阻力X，其数值等于Gd。

此时，记下各天平的读数，改变Gd，各天平的读数也随之变化。

实际测量结果是当只加阻力X时，升力天平和力矩天平的读数为零，即AXX=WX/X,AXY=AXM=0。

加升力和加俯仰力矩得到同样结果，即AYY=WY/Y,AMM=WMz/Mz,AXY=AMY=AXM=AYM=0

这时

（2）式亦可简化为

X=CXXWX,Y=CYYWY,MZ=CMMWMz（4）

其中CXX=AXX,CYY=AYY,CMM=AMM。

。

以上叙述是为说明系数CXX、CYY、CMM是如何得到的，实验中不做静力校测。

现给出校测结果：

CXX=2.383N/lb,CYY=4.462N/lb,CMM=0.991Nm/lb。

静力校测示意图如图5所示。

天平平移台

连杆

校测架

I

H

G

阻力天秤

Wx

a

Gd

图5天平静力校测示意图

4.模型：

本实验采用一矩形机翼，翼弦b=0.11米，翼展l=0.66米,翼剖面型号为NACA23012。

三、实验步骤

（1）安装模型，并检查各仪器设备是否正常。

（2）将天平调至平衡位置，记下初读数WY0（升力天平的），WX0（阻力天平的）和WMz0（力矩天平的），天平的读数单位为磅。

（3）开动风洞，记下不同迎角α下的升力WY、阻力WX和力矩WMz。

其中阻力包括与模型相联的支架阻力WX支。

同时，从压力计上量出液柱差的高度。

（4）停车。

将天平等仪器恢复到原来状态。

（5）整理数据，并绘制曲线。

四、计算公式

（1）风速和动压

φ

式中：

v—气流速度，m/s

ρ—空气密度，单位kg/m3,根据实验时的室温及大气压计算得出；

4

ξ—风速管修正系数；约等于1.0。

γ—酒精比重；为808N/m3

h—压力计液面的高度差，m；

φ—压力计倾斜角；为300。

（2）升力系数

Cy=Y/

S

Y=CYY

WY

∆

WY=WY-WY0

式中S-模型机翼面积，S=bl

Cy-机翼升力系数

Y-机翼升力

CYY=4.462N/lb

（3）阻力系数

Cx=X/

S

X=CXX×

WX

WX=WX-WX0

式中Cx-机翼阻力系数

X-机翼阻力

CXX=2.383N/lb

（4）力矩系数

Cm1/4=Mz1/4

Mz1/4=CMM×

WMZ

Mz=Mz1/4+

Y

Cm=Mz/

sl

WMZ=WMZ-WMZ0

式中Cm-机翼力矩系数，

Mz-机翼力矩，以机翼前缘为力矩参考点

CMM=0.991N·m/lb

五、实验报告

（一）根据实验结果用方格纸绘制升力系数曲线、阻力系数曲线和俯仰力矩系数曲线。

即：

Cy（α）,Cx（α）,Cm（α）

（二）绘制极曲线

Cy=Cy（Cx）

（三）回答下列问题：

1.机械式气动力天平通常由哪三部分组成？

其中哪一部分主要决定了天平性能？

2．什么叫失速？

本实验中机翼的失速迎角是几度？

它是怎样发生的？

测定机翼的升力、阻力和力矩

实验报告

班级

姓名

实验日期

指导教师

实验数据记录和处理表

名称

Wy

ΔWy

Y

Cy

数据的来源

测量

（1）－Wy0

4.462×

（2）

Y/

s

单位

lb

lb

N（牛）

α项

（1）

（2）

（3）

（4）

－4°

－2°

0°

2°

4°

6°

8°

10°

11°

12°

13°

15°

Wy0=；h=;S=

实验数据记录和处理表（续）

名称

Wx

ΔWx

X

C΄x

Cx

数据的来源

测量

（5）－Wx0

2.383×（6）

（7）/

s

（8）-0.053

单位

lb

lb

N（牛）

α项

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

－4°

－2°

0°

2°

4°

6°

8°

10°

11°

12°

13°

15°

Wx0=；

=0.053

实验数据记录和处理表（续）

名称

WMZ0

WMZ

ΔWMz

Mz1/4

Cm

数据的来源

测量

测量

（11）－（10）

-0.991×（12）

（13）/

sb

单位

lb

lb

lb

N·m

α项

（10）

（11）

（12）

（13）

－4°

－2°

0°

2°

4°

6°

8°

10°

11°

12°

13°

15°