空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)：流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)

1、國(guó)家精品課程“空氣動(dòng)力學(xué)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 空氣動(dòng)力學(xué)流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)手冊(cè)北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所2014年5月13日流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 三角翼流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)2. 翼尖渦流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)3. 圓柱擾流流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1. 了解染色流動(dòng)顯示技術(shù)和熒光流動(dòng)顯示技術(shù)的基本原理、應(yīng)用方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題。2. 觀察三角翼前緣渦的形成和結(jié)構(gòu)特征、前緣渦破裂現(xiàn)象及特性。3. 觀察翼尖渦的形成和發(fā)展及其旋渦結(jié)構(gòu)。4. 觀察圓柱擾流的形成過(guò)程、卡門渦街以及旋渦的脫落頻率。三、 基本原理流動(dòng)顯示是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的兩個(gè)基本測(cè)試手段之一（另一個(gè)是定量測(cè)量，如測(cè)力、測(cè)壓等）。流動(dòng)顯示是通過(guò)特定的技

2、術(shù)手段實(shí)現(xiàn)流動(dòng)可視化的一種流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。其結(jié)果一方面可以用來(lái)驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，另一方面在處理無(wú)法用理論分析和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)得到一些重要結(jié)果。通常水中流動(dòng)顯示結(jié)果要比空氣中效果好，并且實(shí)驗(yàn)技術(shù)成熟、易于實(shí)施，費(fèi)用低。水洞中常用的流動(dòng)顯示技術(shù)有氫氣泡方法和染色方法等（屬于示蹤粒子方法），配以激光片光源等輔助手段可以得到很多有意義的細(xì)節(jié)結(jié)果。染色顯示技術(shù)選用有色液體作為示蹤物質(zhì)。色液的物理性質(zhì)（如比重和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)等）要求盡量和水接近以滿足跟隨性要求。為了清晰地顯示并減少對(duì)設(shè)備的污染和腐蝕，要求所用色液不易擴(kuò)散、不易附著于物體，腐蝕性小，流動(dòng)性好，不易沉淀和透光

3、性小。常用的染色液包括墨水、食品色、高錳酸鉀溶液等。除此之外，染色流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)中要求色液注入速度在大小和方向上應(yīng)和當(dāng)?shù)厮饕恢?，盡可能避免對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)挠绊?，如明顯的射流等。本實(shí)驗(yàn)中使用有色的染色液和熒光液作為失蹤物質(zhì)，其中熒光液配合波長(zhǎng)532nm的綠色激光使用。3.1 三角翼流場(chǎng)特性繞三角翼的前緣分離渦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，流動(dòng)顯示效果好。關(guān)于三角翼前緣渦的形成和結(jié)構(gòu)特征、渦破裂等現(xiàn)象既有理論研究?jī)r(jià)值又有很強(qiáng)的航空航天應(yīng)用背景。機(jī)翼前緣分離渦可產(chǎn)生非線性渦升力，增大飛機(jī)升阻比；另一方面同時(shí)伴隨有側(cè)向力；旋渦破裂會(huì)導(dǎo)致升力迅速下降。繞大后掠尖前緣三角翼典型流動(dòng)現(xiàn)象：小迎角時(shí)僅出現(xiàn)氣泡分離；中等迎角（=

4、20 o25 o）時(shí)，形成兩個(gè)大渦，三角翼表面上存在再附和二次分離現(xiàn)象；大迎角時(shí)出現(xiàn)對(duì)稱渦和非對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)。=35 o40 o時(shí)，對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱渦結(jié)構(gòu)。渦破裂首先發(fā)生在翼面后緣部分，然后隨攻角增大，破裂點(diǎn)向上游移動(dòng)。旋渦破裂可能是對(duì)稱的，也可能是非對(duì)稱的。3.2 翼尖渦流場(chǎng)原理當(dāng)機(jī)翼產(chǎn)生正升力時(shí)，下翼面的壓強(qiáng)比上翼面高。在上、下翼面壓強(qiáng)差的作用下，下翼面的氣流就繞過(guò)翼尖流向上翼面，這樣就使下翼面的流線由機(jī)翼的翼根向翼尖傾斜，而上翼面的流線則由翼尖向翼根傾斜。由于上、下翼面氣流在后緣處具有不同的流向，于是就形成漩渦，并在翼尖卷成翼尖渦，翼尖渦向下游發(fā)展即形成翼尖渦流。機(jī)翼上產(chǎn)生的升力越多，

5、翼尖渦也就越強(qiáng)。從飛機(jī)的后部向前看，右翼尖渦是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左機(jī)翼的翼尖渦是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。飛行中，因翼尖渦內(nèi)的空氣壓強(qiáng)低，如果空氣中含有足夠的水蒸氣，就會(huì)因膨脹冷卻而結(jié)成水珠，形成由翼尖向后的兩道白霧狀的渦流索，即俗話說(shuō)的“飛機(jī)拉線”。此種渦流會(huì)造成航空器的不穩(wěn)定及削弱翼面的升力，所以在許多飛機(jī)上都再翼尖裝有翼尖小翼，藉以阻擋或減弱渦流。3.3 圓柱擾流場(chǎng)原理圓柱繞流是一個(gè)經(jīng)典的流體力學(xué)問(wèn)題，流體繞圓柱體流動(dòng)時(shí)，過(guò)流斷面收縮，流速沿程增加，壓強(qiáng)沿程減小，由于黏性力的存在，就會(huì)在柱體周圍形成附面層的分離，形成圓柱繞流。二維圓柱低速定常繞流的流型只與Re數(shù)有關(guān)。a)在Re5時(shí)，沿圓柱表面流動(dòng)的流體在到

6、達(dá)圓柱頂點(diǎn)（90度）附近就離開了壁面，分離后的流體在圓柱下游形成一對(duì)固定不動(dòng)的對(duì)稱漩渦（附著渦），渦內(nèi)流體自成封閉回路而成為“死水區(qū)”（阻力系數(shù)24）；隨著Re的增大，死水區(qū)逐漸拉長(zhǎng)圓柱前后流場(chǎng)的非對(duì)稱性逐漸明顯，此Re數(shù)范圍稱為對(duì)稱尾流區(qū)。c)Re40以后，附著渦瓦解，圓柱下游流場(chǎng)不再是定常的，圓柱后緣上下兩側(cè)有渦周期性地輪流脫落，形成規(guī)則排列的渦陣，這種渦陣稱為卡門渦街；此Re數(shù)范圍稱為卡門渦街區(qū)（阻力系數(shù)12）。d)Re300以后，圓柱后的“渦街”逐漸失去規(guī)則性和周期性，但分離點(diǎn)（約82度）前圓柱壁面附近仍為層流邊界層，分離點(diǎn)后為層流尾流。e)當(dāng)Re*200000400000時(shí)，層流邊界

7、層隨時(shí)有可能轉(zhuǎn)涙為湍流，分離點(diǎn)后移至100度以后，湍流時(shí)繞流尾跡寬度減小，阻力系數(shù)驟減（從1減到0.2）。四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：4.1 水槽該低速水槽設(shè)備主要用于教學(xué)顯示試驗(yàn)，并兼顧科學(xué)研究。在盡可能的情況下，要求流場(chǎng)保持良好的品質(zhì)和較低的湍流度。經(jīng)分析和比較了暫沖式、回流式、壓力式、重力直流式等布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后推薦該水槽采用直流布置方案，實(shí)驗(yàn)段截面為正方形，截面尺寸為400400m2，長(zhǎng)度為6000mm，實(shí)驗(yàn)段流速范圍00.5m/s（采用變頻器控制），實(shí)驗(yàn)段湍流度1%，雷諾數(shù)低于40時(shí)具有良好的速度穩(wěn)定性。穩(wěn)定斷面尺寸為800800m2，收縮比為4.0，收縮曲線采用目前流行的五次曲線。已有研

8、究表明，在水槽情況下，采用對(duì)稱收縮和方形截面實(shí)驗(yàn)段比矩形截面的情況效果好，水流在收縮過(guò)程中可保持對(duì)稱、均勻的加速，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)段截面速度分布的均勻性是有利的。為降低實(shí)驗(yàn)段湍流度，在穩(wěn)定段設(shè)置2層孔板、一層小口徑的蜂窩器和兩層阻尼網(wǎng)，以便保證實(shí)驗(yàn)段湍流度滿足設(shè)計(jì)要求。該水槽布置特點(diǎn)是，運(yùn)行維護(hù)方便，穩(wěn)定性好，不易振動(dòng)，特別適用于小型低速水槽。實(shí)驗(yàn)段采用優(yōu)質(zhì)玻璃制成（便于流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)），達(dá)到四周透明。同時(shí)為了防止水銹，減小日后的防護(hù)費(fèi)用，實(shí)驗(yàn)段以外的其它部分基本采用防銹涂層。表1 水槽主要性能技術(shù)指標(biāo)序號(hào)項(xiàng) 目1實(shí)驗(yàn)段尺寸：長(zhǎng)度6000mm，截面尺寸400mm400mm,收縮比4。2實(shí)驗(yàn)段速度：V0

9、00.5m/s；Re數(shù)：500 11053實(shí)驗(yàn)段：采用優(yōu)質(zhì)玻璃，四周透明。4實(shí)驗(yàn)段湍流度:1%5空間點(diǎn)氣流偏角：；6動(dòng)力系統(tǒng)采用交流變頻控制。水槽按照功能可以分為穩(wěn)定段、收縮短、實(shí)驗(yàn)段、動(dòng)力系統(tǒng)和蓄水池。實(shí)驗(yàn)段：為了模擬原型流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)必須達(dá)到一定的要求，如湍流度、均勻性等。穩(wěn)定段：使來(lái)自上游的紊亂的不均勻的氣流穩(wěn)定、使旋渦減弱、使速度方向性提高，包括蜂窩器和阻尼網(wǎng)，蜂窩器的作用是導(dǎo)向和減小漩渦尺度，阻尼網(wǎng)的作用是分割漩渦尺度，減小湍流度。收縮段：均勻加速，并有助于改善實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)；收縮段的設(shè)計(jì)：（1）流速單調(diào)增加，避免分離；（2）出口流動(dòng)均勻、穩(wěn)定；（3）長(zhǎng)度適當(dāng)，兼顧成本和損失

10、。動(dòng)力系統(tǒng)：為水槽提供流動(dòng)動(dòng)力，由兩臺(tái)水泵及相應(yīng)的管路組成。蓄水池：在水泵停機(jī)后儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)中使用的水，以供后續(xù)使用。4.2 W70三角翼前緣后掠角為70的平板三角翼，如圖2.3所示，根弦長(zhǎng)為150mm，厚度4mm，前緣迎風(fēng)面及尾緣做45倒角處理，在距離頂點(diǎn)7mm和19mm處設(shè)置兩組染色液孔。圖1 W70模型示意圖4.3 NACA0012渦發(fā)生器NACA0012翼型渦發(fā)生器弦長(zhǎng)c=100mm，展長(zhǎng)l=100mm，翼尖作倒角處理，倒角半徑等于所在位置翼型厚度。渦發(fā)生器由一顆螺釘固定在端板上，可調(diào)整渦發(fā)生器的迎角。對(duì)于單個(gè)旋渦只需使用一個(gè)渦發(fā)生器，且迎角=10，而一對(duì)等強(qiáng)度同向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)則使用兩個(gè)渦發(fā)生

11、器，兩渦發(fā)生器迎角相反，為10。做流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，在渦發(fā)生器下翼面固定一根直徑為1mm的細(xì)管，染色液或熒光液由細(xì)管導(dǎo)入翼尖位置，從而能夠卷入漩渦中以達(dá)到流動(dòng)顯示的效果。4.4 圓柱繞流模型本實(shí)驗(yàn)中使用的圓柱繞流模型直徑為40mm，豎直地布置于水槽中，底端焊接在端板上，頂端伸出水面。染色液出口布置于圓柱的中部。4.5 染色液染色液由食用色素和水配制而成，置于高處染色液容器中，通過(guò)軟管連接到模型上的鋼管，軟管上有調(diào)節(jié)流量的閥門。調(diào)節(jié)流量控制閥門使染色液能夠連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地從模型的小孔流出。本次實(shí)驗(yàn)采用紅色和藍(lán)色食品色溶液作顯示色液，無(wú)毒無(wú)污染。4.6 熒光液和激光片光儀本實(shí)驗(yàn)中使用羅丹明B作為熒

12、光劑，其在激光照射下顯淡紅色，亮度較高，辨識(shí)度高。熒光液染色實(shí)驗(yàn)中需要配合使用激光器。本實(shí)驗(yàn)的激光器是二極管側(cè)面泵浦，循環(huán)水冷卻的DPSS固體激光器，該激光器具有光光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、輸出功率高、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適于進(jìn)行激光片光的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)。其技術(shù)指標(biāo)見表2，本款激光器主要包括激光器和水冷機(jī)兩部分。表2 濾光片光源激光器激光波長(zhǎng)532nm輸出功率10W工作方式QCW光束直徑3mm出光張角可調(diào)光束發(fā)散角90%線寬0.1nm功率穩(wěn)定性(RMS)10000小時(shí)激光器見圖2，包括激光頭、激光電源和導(dǎo)光臂。激光頭是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是激光器的發(fā)光單元，與導(dǎo)光臂相連接處

13、為激光頭的出光方向。激光頭后面為電源接線端子盒水冷機(jī)水管接頭。激光電源是激光器的驅(qū)動(dòng)部件，電源內(nèi)部由LD恒流電源、Q開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源及相關(guān)的控制電路組成。導(dǎo)光臂為六關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂，用于傳遞激光光束，可以憑自身的彈簧保持直立，在垂直方向的活動(dòng)范圍為25-85，在水平方向可以任意活動(dòng)。水冷機(jī)見圖3，是專門用于冷卻整個(gè)系統(tǒng)的恒溫設(shè)備。水冷機(jī)配有水管、電線、接頭、過(guò)濾芯等部件，保證冷卻水的純凈。 圖2 激光器 圖3 水冷機(jī)四、實(shí)驗(yàn)參數(shù)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：60分鐘水槽流速：0.1m/s實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)方法三角翼流動(dòng)顯示7600（基于平均氣動(dòng)弦）染色液翼尖渦流動(dòng)顯示10000（基于根弦長(zhǎng)）染色液+熒光液圓柱繞流流動(dòng)顯

14、示3800（基于圓柱直徑）熒光液五、 實(shí)驗(yàn)步驟：5.1 三角翼流動(dòng)顯示1) 打開電機(jī)，調(diào)節(jié)雙泵頻率為25.8Hz，對(duì)應(yīng)水槽流速為0.1m/s； 2) 將染色液管連到主翼上的四個(gè)染色液管上，安裝主翼到支架上，調(diào)整迎角為25，將模型放入水槽中；3) 打開染色液閥門并調(diào)節(jié)流量大小，使染色液出口處染色液附著在翼面上為止；4) 觀察翼面流動(dòng)狀態(tài)，有何特點(diǎn)，能否觀測(cè)到渦流；5) 觀察前后兩個(gè)染色液孔流出的染色液的軌跡；6) 觀察前緣渦的破裂現(xiàn)象（何為渦破裂？如何識(shí)別渦破裂？）；7) 注意觀察渦破裂位置，渦破裂位置是否穩(wěn)定，左右兩個(gè)渦破裂位置變化有何規(guī)律；8) 調(diào)節(jié)迎角，觀察三角翼表面渦系變化。5.2 翼尖

15、渦流動(dòng)顯示1) 將染色液和熒光液的管連接到翼尖渦渦發(fā)生器的染色液管上，將迎角調(diào)整為10；2) 首先打開染色液，調(diào)節(jié)流量使顯示清晰同時(shí)染色液也不會(huì)明顯噴射而出，此時(shí)應(yīng)該看到一條明顯的渦線沿流向向下游發(fā)展；3) 觀察旋渦的流向發(fā)展過(guò)程，尤其注意旋渦的形成和失穩(wěn)；4) 關(guān)閉染色液，打開熒光液和激光片光儀；5) 調(diào)節(jié)熒光液的流量和激光片光儀的強(qiáng)度，使得旋渦顯示清晰；6) 觀察旋渦向下游的發(fā)展過(guò)程，尤其是截面流態(tài)的變化；7) 調(diào)節(jié)迎角和側(cè)滑角，觀察流動(dòng)變化。5.3 圓柱繞流流動(dòng)顯示1) 連接熒光液管至圓柱繞流模型的染色液管；2) 打開熒光液和激光片光儀，調(diào)節(jié)熒光液的流量和激光片光儀的強(qiáng)度，使得旋渦顯示清晰；3) 觀察圓柱繞流的行程以及