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風洞測量方法

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風洞測量方法是在風洞中測量氣流參數和模型氣動特性的方法。為了通過風洞實驗獲得飛行器氣動特性的數據,既要正確地測量模型的氣動特性,還要正確地測量風洞的氣流參數。

1 風洞測量方法 -風洞測量方法

 

2 風洞測量方法 -正文

  在風洞中測量氣流參數和模型氣動特性的方法。為了通過風洞實驗獲得飛行器氣動特性的數據,既要正確地測量模型的氣動特性,還要正確地測量風洞的氣流參數。需要測量的模型的氣動特性通常有力和力矩、壓力分佈和熱流分佈。需要測量的氣流參數通常有壓力、溫度、密度、速度等。在一些特殊實驗中還有其他要求測量的項目。在風洞測量中廣泛使用小型化、高精度的電信號感測器,高速數據採集和實時處理系統。非接觸測量方法因不在流場中插入探測儀器,對流場不產生額外干擾,因而得到越來越多的應用。
  壓力測量方法  風洞測量壓力最早採用液體壓力計,如 U形管壓力計。測量氣流總壓和靜壓最常用的是皮託管。在超音速氣流中,皮託管前產生正激波,所以只能測量波后總壓。現代已廣泛採用壓力感測器來測量壓力。壓力感測器的種類很多,按變換原理可以分成電阻應變式、電容式、電感式、振膜式、固態壓阻式和壓電式等。在高超音速風洞中遇到非常低的壓力時,多採用振膜式或固態壓阻式感測器。壓電感測器主要用於脈衝式風洞或用於測量瞬態壓力。測量多點壓力時則廣泛使用壓力感測器和壓力掃描閥組成的測壓系統或者電子掃描壓力測量系統。
  溫度和熱流測量方法  對於高速流動的氣流,需要確定氣流的總溫和靜溫。氣流總溫低於2000K時,可用總溫探針來測量總溫,而氣流靜溫一般根據總溫和馬赫數來推算。總溫探針的測溫元件在溫度較低時可用熱敏電阻,溫度較高時用銅-康銅、 鎳鉻-鎳鋁熱電偶。鉑-鉑銠熱電偶可測高達 2000K的溫度。物面溫度除用熱電偶測量外,還可用感溫塗料或相變塗料作為敏感元件,其測量範圍從室溫到數百 K,測量精度稍低,但信息量大。採用紅外照相技術可以測量從室溫到 1200K範圍內的表面溫度分佈,這種方法不會幹擾流場而且信息量大。對於1200~4000K範圍內的氣流溫度和表面溫度,通常採用輻射高溫計、光電高溫計、比色高溫計等光學測量儀器測量。現代相干反斯托克斯喇曼光譜技術(CARS)具有很高的光譜輻射轉換率而引起廣泛的注意。低密度風洞氣流本身不輻射光譜,因此普遍採用電子束探針來激發氣體使之電離而輻射出光譜,再用光譜分析方法求出其振動和轉動溫度。對於風洞傳熱實驗,一般可以採用測量溫度隨時間的變化率來測量熱流。不同類型的風洞往往採用不同型式的量熱計。常規高超音速風洞常用薄壁量熱計,電弧風洞常用零點量熱計,激波風洞常用薄膜電阻量熱計。
  密度測量方法  一般採用光學方法來測量氣流的密度。用陰影法、紋影法、干涉法等僅能進行密度的定性測量,而用激光全息照相可以對風洞流場的三維密度分佈進行定量測量。全息法是把兩列干擾光波(信號波和參考波)所形成的干涉圖形用照相方法記錄下來,事後只要適當照明全息照片,就能再現「流場」的光波。全息法記錄的是流場的全部信息(包括相位差、方向差、光程差),所以事後可對再現的光波進行細緻的定量測量。
  速度測量方法  速度和速度隨時間的脈動是表徵風洞流場的基本數據。在風洞中常用的測速方法是熱線風速儀,它藉助於放在流場中的小的熱線(通常為直徑1~2微米的鉑絲或鎢絲)或熱膜(通常為厚0.1微米的鉑膜或鎳膜)傳熱的變化來測量速度。這種儀器特別適用於研究流場的詳細情況,既可測定脈動速度,又可測量平均速度,但它不適用於污濁的氣流和高溫氣流。另一種測量氣流速度的儀器是激光多普勒測速計(LDV),它是根據光在氣流中的多普勒頻移的量值與氣流速度成正比的原理來測量的。在進行這種測量時,必須利用在氣流中自然存在的或人工加入的散射粒子,粒子的大小和濃度必須限制在一定的範圍之內。這種測量方法的數據處理複雜,但易於進行二維和三維的測量。
  力和力矩測量方法  作用於模型上的氣動力和氣動力矩通常可以採用風洞天平直接測量和通過測量自由飛風洞模型的運動情況來測量。自由飛測力是藉助於高速攝影機記錄模型在風洞中自由飛行的運動軌跡和確定加速度,根據牛頓第二定律來計算氣動力和氣動力矩。為了使飛行器具有良好的穩定性和機動性,還必須知道作用於模型上的氣動力和氣動力矩對角位移時間變化率的導數,即動導數。在風洞中,可以通過自由振動或強迫振動的天平來測量動導數,也可以通過模型自由飛試驗來反推。
  表面摩擦測量方法  在研究粘性流動時常要求測量表面剪切應力,除間接方法外還可採用摩擦天平直接測量,摩擦天平常採用差動變壓器或應變感測器、熱膜和普瑞斯登管等。
  參考書目
 R.J.Goldstein,Fluid Mechanics Measurements,Hemisphere Publ.Co.,Washington,1983.

 

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