风洞试验综合.docx

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风洞试验综合

空气动力学综合实验

三角翼气动特性试验

班级

姓名

实验日期

指导老师白涛

北京航空航天大学流体力学研究所

三角翼气动特性试验

一.风洞试验简述：

实验空气动力学是空气动力学的一个分支，是用实验方法研究飞行器及其它物体在与空气或其它气体作相对运动时的气动特性、运动规律和各种复杂物理现象。

由于是直接研究物体与真实气流间的相互作用，所得数据可以用作工程设计的依据，验证理论计算结果并能揭示新的流动现象，为理论分析提供物理模型。

实验空气动力学作为一门分支学科是20世纪40年代形成的。

它的形成同飞行器高速发展，要求迅速获得大量复杂、精确、可靠的设计数据有关。

它的主要内容除空气动力学基础理论外，还包括实验理论、实验方法和实验设备的知识。

实验空气动力学的主要任务是利用风洞进行模型实验，以发现和确认流动现象、探索和揭示流动机理、寻求和了解流动规律，并为飞行器提供优良气动布局和空气动力特性数据，风洞实验所依据的基本理论是相对运动原理和相似理论。

相对运动原理：

无论是固体以某一均匀速度在静止的流体中运动，还是流体以相同速度流经固体，两者之间的相互作用力恒等。

相似理论：

论述物理现象相似的条件和相似现象的性质的学说。

是模拟的理论基础。

相似理论的重要课题是确定各种物理现象的相似准数。

风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。

风洞的工作原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在实验段的静止模型，模拟实物在静止空气中的运动。

测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象。

根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。

实验段是风洞的中心部件，实验段流场应模拟真实流场，其气流品质如均匀度、稳定度（指参数随时间变化的情况）、湍流度等，应达到一定指标。

风洞实验的主要优点是：

1实验条件（包括气流状态和模型状态两方面）易于控制。

2流动参数可各自独立变化。

3模型静止，测量方便而且容易准确。

4一般不受大气环境变化的影响。

5与其他空气动力学实验手段相比，价廉、可靠等。

缺点是难以满足全部相似准数相等，存在洞壁和模型支架干扰等，但可通过数据修正方法部分或大部分克服。

风洞实验的主要常规试验有测力试验、测压试验和流态观测试验等。

测力和测压试验是测定作用于模型或模型部件（如飞行器模型中的一个机翼等）的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。

流态观测试验广泛用于研究流动的基本现象和机理。

二.实验内容：

1.根据风洞实验段尺寸和实验项目要求完成实验模型的结构和模型支撑结构的设计。

2.编写模型测力和流动显示实验大纲（或实验任务书）。

3.固定风速，改变模型姿态（例如，改变模型迎角）测量不同姿态下的模型气动力；对模型做重复性试验。

4.对测力模型做流动显示实验（分别做模型烟流显示实验和油流显示实验）

三.实验仪器及设备：

D1低速风洞主要组成部分为实验段、扩压段、拐角和导流片、稳定段、收缩段以及动力段。

实验段截面为椭圆面，其入口长轴为102cm，短轴为76cm，出口处长轴为107cm，短轴为81cm；实验段全长1.45m；实验段的最大流速为50m/s；紊流度为0.3%；实验段模型安装区内，速压不均匀度3%。

其上游收缩段的收缩比为8.4。

D1低速风洞采用可控硅控制无级调速；配置有尾撑式—机构及内式六分量应变天平。

由信号放大器（GDA—10），A/D模数转换数据采集板和计算机构成测力天平信号数据采集系统。

实验原理：

当物体以某一速度在静止的空气中运动时，气流对物体的作用与同一速度的气流流过静止物体时的作用完全相同。

风洞就是一种产生人工气流，对固定于风洞试验段的模型产生气动力作用的管道设备。

六分量应变天平：

是一种专用的测力传感器。

用于测量作用在模型上的空气动力的大小。

该天平能测量升力、阻力、侧力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。

它由应变片、弹性元件、天平体和一些附件组成。

应变天平是一种将机械量转变为电量输出的专用设备。

它是运用位移测量原理，利用天平的变形来测量外力大小。

将应变片贴在天平弹性元件上，弹性元件上的应变与外力大小成比例，应变片连接组成测量电桥，接入测量线路中，即可测出力的大小。

应变天平在测量过程中的参量变化过程如下：

其中：

P—天平弹性元件上承受的气动力。

—在气动力P的作用下弹性元件上的应变。

—贴在弹性元件上的应变片在弹性元件产生应变的情况下产生的电阻增量。

—由应变片产生的电阻增量

而引起的测量电桥产生的输出电压增量（mV）。

—检测仪器所指示的读数增量（V）。

右下图为一六分量应变天平测量电桥示意图。

图中标有号码处为粘贴有电阻应变片的天平元件。

例如号码1、2、3、4为天平升力元件的四个电阻阻值相等的应变片，它们构成了一个全桥电路。

当天平升力元件受载后，在电桥AC端将会有电压信号U输出，该信号U将被引入信号放大器。

信号放大器（GDA—10）：

其功用是将来自于天平各分量电桥的微小电压输出放大到能被计算机接受的电压值。

A/D模数转换数据采集板：

由于计算机只能处理数字信号，而天平各分量的输出信号是模拟信号，因此须先用A/D模数转换数据采集板将天平输出的模拟信号转换成数字信号，方能由计算机对采集的信号数据进行处理。

计算机：

通过已有程序软件对试验模型的测力进行过程控制、数据采集和后处理。

模型烟线流动显示、表面油流显示原理参见附录1、2。

四.实验步骤：

1）将实验模型安装于测力天平上。

对试验模型做水平或垂直调整。

将模型的攻角、侧滑角分别调整为0角。

2）检查各有关设备之间的连线是否连接正确。

3）打开计算机，然后是放大器及天平电源。

4）通过计算机测力系统软件检测天平各分量的信号输出值是否正常。

通常未加载时各分量信号输出值应小于0.6V。

5）测量并记录天平各分量初始数据（即，天平各分量静态数值）。

开启风洞（风洞开启步骤详见风洞操作规程）将风速调整为约xx米/秒，侧滑角为=0，改变攻角攻角变化范围=x~xx，攻角变化间隔为x。

（迎角机构的操作使用方法详见北航D1低速风洞模型姿态角机构控制系统操作规程）。

或只改变风速，而不改变模型姿态。

6）做模型测力实验。

7）模型烟线流动显示、表面油流显示实验步骤参见附录1、2。

8）本次实验模型为后掠角70о、45о的三角翼模型，翼弦分别为b=0.4、0.25米，翼展分别为l=0.29、0.5米。

展弦比=l2/S=1.45、4

五.实验报告要求：

1.实验报告应包括：

实验目的、实验内容、实验仪器与设备、实验原理、实验步骤、实验时间地点及参加人员、实验结果分析等内容。

2.对实验结果数据进行详细分析和讨论，总结规律，给出结论。

3.实验报告要求书写工整，格式规范。

符合学校关于实验报告的基本要求。

六.试验注意事项：

1.实验模型安装时，应特别注意不触碰天平应变片及其连线，同时应避免对天平施加冲击过度挤压，扭转和弯曲等力的作用。

2.计算机采集系统的开启顺序为：

计算机——放大器——天平电源；

计算机采集系统的关闭顺序为：

天平电源——放大器——计算机。

3.风洞运行和停车，以及风速调节严格按照操作规程进行。

4.仪器设备出现异常和紧急故障时，应立即通告试验指导教师。

七.实验结果分析讨论：

1.简述风洞实验原理。

2.根据测量数据结果会出相应的参数变化关系曲线。

3.给出模型气动特性随速度或姿态的变化规律。

4.通过流动显示实验观察三角翼绕流流态随迎角变化的流动特性和流动规律。

5.由测力实验和流动显示实验分析前缘涡破裂对三角翼气动力特性的影响。

6.分析模型外形不同（展弦比、后掠角等）引起的气动特性差异的原因。

附录1.三角翼烟流显示试验

一．概述

烟流显示分烟管法和烟线法。

烟管法是利用油受热蒸发的原理，设计一个烟雾发生器，将烟雾引入风洞进行流动显示。

烟线法是在风洞模型的上游横放一根与来流垂直的金属电阻丝线，或在模型特定位置固定金属电阻丝线，实验前在金属电阻丝线上涂上一层油，实验时，通电使金属电阻丝线发热，油受热发烟，形成白色烟雾，随气流向下游流去。

该方法是一种三维立体显示复杂流动（如分离流动和旋涡流动）的非常简便有效的手段。

其技术特点是可以在风洞中比较方便和迅速地获得模型的空间流态。

可以直观的了解流体绕过模型表面发生分离的位置、分离方式和特点以及旋涡的空间演化过程。

二．烟线流动显示的实验原理：

烟流显示的烟线技术是利用电阻丝加热的原理，当使一根0.1mm的金属电阻丝表面均匀涂抹上发烟油时，由于油的表面张力，这些油在电阻丝上会形成一系列小油珠。

当电阻丝通电加热时，油滴因受热气化而形成油蒸气，并随气流离开电阻丝后，在常温的气流中又立即凝结成十分细小的油雾滴（该雾滴属于蒸汽冷凝的气溶胶，是直径约为1mm的微小液态粒子）。

这些雾微粒跟随气流流动而显示可见的绕流形态，所以烟线显示实质上是以油的雾滴为示踪粒子的流动显示方法。

烟线显示实验用的发烟油应以发烟白、浓密、无毒、无腐蚀性且有足够的粘性，通常风洞烟线显示实验选择甘油和石蜡油。

这些油的表面张力很大，在1cm长的电阻丝上可凝结成约8个小油珠，加热后将产生8条烟线。

三．烟线流动显示的基本方法：

烟线技术就是使金属电阻丝通电受热，使涂抹在金属电阻丝上的油蒸发产生烟雾，但这种方法产生的烟雾量少、时间短，要想获得理想的流动显示照片（图像）必须掌握好拍摄的时机，并对相机（摄像机）、光源以及发烟装置进行同步控制。

发烟用的电阻丝宜采用电阻率大、强度高、韧性好的材料，如铂丝、钨丝及镍铬丝。

丝径的选择，按以电阻丝直径d为特征长度的雷诺数<40为准则选取。

电阻丝的通电电源为直流电源，且电源电压是可调的，通常调节范围为几十伏～300V。

发烟油宜选择粘度大的油品（甘油和石蜡油）。

发烟浓度的改变是靠调节烟线两端的电压来获取的，当风洞试验段流场中的风速提高时，为了保证清晰的烟流迹线须提高电阻丝线的发烟量，为此应提高烟线的端电压。

实际试验中电压的选取是通过调试来确定的。

只要试验段气流中烟流迹线清晰可辨，就可认为电压调节满足要求。

用烟线法显示的流动图像需利用照相机或摄像机进行图像记录。

但由于烟流迹线在实验过程中延续的时间很短，给照相（或摄像）带来较大困难，为此，可设计专门的时间同步控制电路来保证能拍摄到清晰的烟流迹线流谱。

另外图像的清晰程度和反差的好坏还取决于光源的安排。

烟流显示图像记录对光源的基本要求是应具有足够的均匀照度，以便得到较强的迹线流谱散射光。

对于摄像通常使用（1000W～3000W）新闻灯作为连续光源。

而单幅摄影可使用高亮度的闪光灯。

布置光源时应尽量减少物体背影的反射光，通常拍摄背景应取成黑色。

四．实验步骤

1）将电阻丝线放置在与三角翼前缘平行的下表面，离前缘稍后的位置上，由于三角翼材质为金属，因此需使用橡胶垫块等绝缘材料固定电阻丝线，避免三角翼与电阻丝线直接接触而发生短路。

2）将三角翼模型安装于试验支架上。

对机翼调水平。

并将机翼的攻角调整到0、侧滑角调整为0。

3）将电阻丝线与发烟控制线路连接，并检查线路连接是否安全准确。

4）调整拍摄光源位置直至满足拍摄要求。

5）试刷发烟油，按风洞运行使用要求开启风洞，风速调节到2～5m/s左右，调试试验中所需电压直至烟流迹线清晰可辨。

6）按实验大纲（或实验任务书）完成模型烟线流动显示实验。

附录2.三角翼表面油流显示试验

一．概述

表面油流显示技术是风洞实验中最常用的流动显示技术之一，主要用于显示物面的流动图谱。

该方法是一种显示复杂流动中如分离流动和旋涡流动的非常简便有效的手段。

其技术特点是可以在风洞中比较方便和迅速地获得模型表面的流谱。

通过对表面油流谱图的分析可以了解流体在表面发生分离的位置、分离方式和特点以及旋涡的形成等等。

二．表面油流显示的基本原理

对于油流实验，首先要了解油流谱图中油流轨迹显示了气体绕流中何种特性以及油膜的存在对表面流动特性的影响。

为此应该分析在外流场作用下物面上油膜运动的基本方程，从而了解表面油流的基本原理。

1.油膜层油流轨迹线

在油流实验时，通常将带有细微示踪粒子的油剂薄薄地涂在试验模型的表面上，油膜厚度小于边界层厚度。

因此当在风洞中进行吹风时，油膜在边界层内气流的作用下做缓慢的粘性运动形成油流谱。

油膜的下边界是物面，应满足无滑移条件，即在物体表面上油的流速为零。

油膜上边界与气流相接，在油、气界面上油流和气流的速度相等，同时油流和气流的剪应力也相等。

油膜层流动应满足动量守恒和连续方程，并满足油层与气流界面以及下边界物面上的边界条件。

考虑到油层很薄，它与气流边界层厚度是同一数量级的，并且空气的粘性比油膜的粘性小很多，它们的比值=空气/油是小量。

因此像物面上边界层流动一样，对油层方程进行量纲分析，比较各项数量级使油层方程简化，并可得到像边界层内流动一样的结论：

油膜层中压力沿油层厚度不变，也就是说穿过油膜层的压力是常数。

即p2（x,y）=p1（x,y）=p0（x,y），其中下角标“2”表示油层流动参数，“0”表示气流边界层外缘上的自由流参数，“1”表示油膜上气流边界层流动参数。

2.油层厚度的影响

首先物面上油膜厚度h使试验物体的形状有所改变。

但是在油流实验时试验模型表面所涂的油层很薄，而且一般在吹风的最初10～20s内物面的油膜厚度还将进一步减小，所以可忽略油膜厚度引起的几何影响。

其次当在物面上存在油膜时，物面是油、气分界面，气流速度u1、v1在界面上不等于零，破坏了气流在物面上的无滑移边界条件。

只要油膜足够薄，并且所选油剂的粘性系数比空气的粘性系数足够大，即1，那么油、气界面上的气流速度u1=u2，v1=v2，两者差是足够小的。

也就是油膜的影响是十分小的，

即（u1/z）z=h（u1/z）z=0；（v1/z）z=h（v1/z）z=0，这时油流轨迹线方程近似为

式中yw，xw分别表示气流在壁面上的摩擦应力分量。

该方程就是无油层时物表面摩擦力线方程。

该式表明，油流轨迹线近似地显示了气流绕流中物面摩擦力线。

因此油流技术实际上是一种显示气流在物面上摩擦力线图谱的实验技术。

三．表面油流试验方法

表面油流技术所使用的涂层是一种由油剂与粒度非常细小的粉末混合组成的。

油剂是一种载体，而粉末是一种示踪粒子。

需要指出的是，由于油的粘性、表面张力、模型表面光滑程度、试验风速以及试验季节温度等条件影响油流图谱的清晰程度，因此油流试验中涂层的配制，涂刷方法等技术问题有很大的经验性。

为了获得更好的效果，可以资料提供的方法为依据，在正式试验前进行一些预先试验，适当调整涂层配制比例直至获得清晰的流动图谱。

1．涂层配制

1）示踪粒子为二氧化钛（白色）粉末。

俗称钛白粉。

使用前应先将二氧化钛烘烤20~30分钟，以去掉二氧化钛中的水分。

然后放入擂钵中研磨成细粉末。

使用细网筛筛出二氧化钛粉末备用。

2）载体油剂选用煤油和硅油。

油剂选择主要考虑它的粘性。

因为油剂的粘性影响到油层在气流剪切应力作用下油流轨迹线的清晰程度、形成时间以及风洞停风后油层保持其状态的能力。

3）先用二氧化钛与硅油按一定体积比（根据硅油粘度、模型结构以及试验风速而定，例如，低速边条机翼油流实验。

风速25m/s。

硅油粘度为20010-6m2/s，则二氧化钛与硅油的体积比为1：

10。

）调制，然后再用煤油稀释，通过初步试验确定煤油加入量。

2．试验步骤

1）将三角翼模型安装于试验支架上。

对机翼调水平。

并将机翼的攻角调整到0、侧滑角调整为0。

2）用软刷子将涂层刷到三角翼模型表面，要求涂层厚度均匀。

3）涂层刷好后迅即开风，将风速调节到约30m/s。

4）待三角翼模型表面涂层的油剂吹干后停风，观察机翼表面的油流图谱。

5）将三角翼模型的攻角调节到5、10、15、20、25、30、35、40、45、50（所给角度仅供参考，也可自定试验迎角范围）。

并重复2）~4）步骤。

3．表面油流谱分析方法

在大量的表面油流试验的基础上结合各种气动力现象的分析，得出了经验的油流谱识别与判断准则。

一般说来白色的油流积聚线即显示了物面上的三维分离线。

油流谱上的无油线，也就是油流出线称为再附线，油流出线实际上是不存在的，但可以通过两侧有明显的“人”字形摩擦力线来辨认。

由于有些三维流谱非常复杂，仅用经验方法不易完全识别，因为经验方法不能概括所有的流谱。

因此根据物面流谱本身遵循的规律，运用物面流谱的奇点拓扑方法来指导油流谱的分析更具有普遍意义。