北京航空航天大學(xué)五系流體力學(xué)試驗(yàn)染色液流動(dòng)顯示試驗(yàn)報(bào)告

1、，匕京航彌就天大孚BEIHANGUNIVERSITY研究生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)標(biāo)模染色液流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)姓名實(shí)驗(yàn)日期指導(dǎo)教師北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握染色流動(dòng)顯示技術(shù)的基本原理、應(yīng)用方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的技術(shù)問(wèn)題。2. 了解戰(zhàn)斗機(jī)典型繞流現(xiàn)象和特性，包括機(jī)翼前緣渦（邊條渦）、機(jī)頭渦的形態(tài)、特征、渦系間相互作用，以及攻角影響等，并分析這些流動(dòng)現(xiàn)象對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響。二、基本原理流動(dòng)顯示技術(shù)是顯示技術(shù)包括方法、設(shè)備、記錄手段、圖像處理和數(shù)據(jù)分析等方面，逐漸形成專門(mén)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。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

2、以得到很多有意義的細(xì)節(jié)結(jié)果。染色線流動(dòng)顯示是在在被觀測(cè)的流場(chǎng)中設(shè)置若干個(gè)點(diǎn)，在這些點(diǎn)上不斷釋放某種顏色的液體，它隨流過(guò)該點(diǎn)的流體微團(tuán)一起往下游流去，流過(guò)該點(diǎn)的所有流體微團(tuán)組成了可視的染色線。染料選取應(yīng)注意：1.所選取的染料應(yīng)使染色線擴(kuò)散慢、穩(wěn)定性好；2.染色液應(yīng)與水流具有盡可能相同的密度（與酒精混合）；3. 染料顏色與流場(chǎng)背景形成強(qiáng)的反差（熒光染料）注入方式；4.在繞流物體表面開(kāi)孔；5.直接注入流場(chǎng)中所需要觀測(cè)的位置。本實(shí)驗(yàn)選用飛機(jī)標(biāo)模，利用染色液方法觀察其繞流的典型流動(dòng)現(xiàn)象，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)頭渦、邊條渦及其對(duì)基本翼（主翼也稱后翼）流動(dòng)的影響。三、實(shí)驗(yàn)裝置及模型1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋w機(jī)標(biāo)模由機(jī)身、機(jī)翼、尾

3、翼構(gòu)成，見(jiàn)圖2。機(jī)身為尖拱型頭部加圓柱形后體，機(jī)翼為大后掠邊條加中度后略三角翼主翼，尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼（單立尾）。各部分表面都布有染色液出孔。2 .實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞北航1.2米多用途低速串聯(lián)水平回流式水洞。該水洞實(shí)驗(yàn)段尺寸大、流場(chǎng)品質(zhì)高，與同類設(shè)備比較，不但在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，而且達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。設(shè)備主實(shí)驗(yàn)段1.2米X1米X16米（高X寬X長(zhǎng)），流速范圍0.11.0米/秒。主實(shí)驗(yàn)段主要流場(chǎng)品質(zhì)：湍流度0.27%0.45%,截面速度不均勻度：0.46%。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，將染色液注入系統(tǒng)；2 .開(kāi)啟水洞，水流速度穩(wěn)定到10cm/s；3 .調(diào)整攻角；4 .待流場(chǎng)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)染色液流量，得到清晰

4、的流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示形態(tài)；5 .待流動(dòng)穩(wěn)定后，觀察穩(wěn)定的流態(tài)，拍攝照片；6 .將攻角分別調(diào)整到0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°,35°,40°,45°,50°,55°,60°,重復(fù)步驟5,直到所要求的攻角狀態(tài)實(shí)驗(yàn)全部完成。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告1 .實(shí)驗(yàn)條件：水溫t=20°C;水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)u=0.878X10-6米2秒；附：水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)隨溫度的變化：溫度t(OC)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)u（米2/秒）51.519X10-610_-61.308X1015-

5、61.141X10201.007X10-6250.897X10-6水流速度U=0.1米/秒；特征長(zhǎng)度C=0.115m（C為模型機(jī)翼平均弦長(zhǎng)）計(jì)算：雷諾數(shù)Re=UC/u=1.310X104；2 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，描述和分析：1 .邊條渦的形態(tài)隨迎角的變化；不同攻角狀態(tài)下邊條渦對(duì)主翼流動(dòng)（包括與主翼渦系的相互干擾及其對(duì)主翼流動(dòng)分離等）的影響。2 .機(jī)頭渦的形態(tài)及其隨攻角變化特性。其中各集中渦（機(jī)頭渦、邊條渦和主翼渦）的形態(tài)及其隨攻角變化特性包括：隨攻角增力口，各集中渦的形成、發(fā)展（強(qiáng)度變化）、破裂現(xiàn)象及其破裂點(diǎn)位置變化等的規(guī)律性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果用相機(jī)和DV分別從模型側(cè)面和上面拍攝側(cè)視圖

6、和俯視圖，以便更好地觀察渦的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：在迎角下，機(jī)身沒(méi)有出現(xiàn)渦結(jié)構(gòu)，整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)平穩(wěn)。隨著迎角增加到，在圖中可以看到在邊條的前緣形成了對(duì)稱的前緣脫體渦。當(dāng)迎角增加到時(shí)，邊條前緣形成的脫體渦仍只對(duì)內(nèi)翼流動(dòng)產(chǎn)生影響。在時(shí)，邊條渦的強(qiáng)度達(dá)到足夠強(qiáng)，且邊條渦向主翼兩端流動(dòng)；主翼上發(fā)生了流動(dòng)分離，通過(guò)側(cè)圖可以看到，邊條渦具有抑制流動(dòng)分離的作用，并出現(xiàn)機(jī)頭渦。迎角繼續(xù)增加到，邊條渦發(fā)生破裂，破裂點(diǎn)如圖所示，由于邊條渦的破裂，對(duì)外翼的誘導(dǎo)作用大大減弱。從圖中可以看到，邊條渦的破裂點(diǎn)位置往前移動(dòng)，已經(jīng)非?？拷熬壵埸c(diǎn)。此時(shí)，流體流過(guò)機(jī)頭后發(fā)生分離形成一對(duì)對(duì)稱的漩渦。邊條渦的破裂點(diǎn)位置繼續(xù)往前移動(dòng)，

7、基本已在折點(diǎn)處的前方。在下，機(jī)頭渦仍然呈現(xiàn)對(duì)稱性。大致在機(jī)身中部位置發(fā)生破裂。邊條渦的破裂點(diǎn)往前方移動(dòng)，很靠近邊條翼的前緣。機(jī)頭渦的破裂位置前移。邊條渦的破裂點(diǎn)往前方移動(dòng)，基本靠近產(chǎn)生的位置。邊條渦一產(chǎn)生，基本就發(fā)生了破裂。機(jī)頭渦仍然呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)。邊條渦一產(chǎn)生，就發(fā)生了破裂。在下，由于迎角很大，邊條渦破裂點(diǎn)基本就在產(chǎn)生的位置，機(jī)頭渦在此迎角下，大部分還呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)。當(dāng)迎角為時(shí)，邊條渦和機(jī)頭渦耦合在一起；而流動(dòng)的不對(duì)稱性則進(jìn)一步加劇，邊條渦和機(jī)頭渦耦合在一起向主翼的一端偏斜，三秒后向另一端偏斜，可見(jiàn)流動(dòng)的不穩(wěn)定性進(jìn)一步加劇。綜上，在迎角為以前，邊條翼產(chǎn)生的邊條渦都是沿著主翼的內(nèi)翼部分往后延伸，在

8、時(shí)，出現(xiàn)邊條渦，并開(kāi)始沿著翼展方向?qū)ν庖砹鲌?chǎng)產(chǎn)生作用，此時(shí)邊條渦增加了主翼邊界層抵抗分離的能力，此有利干擾引起了渦升力。當(dāng)迎角達(dá)到時(shí)，邊條渦在主翼上發(fā)生破裂，破裂點(diǎn)在主翼中間位置，往后隨著迎角繼續(xù)增大，破裂點(diǎn)一直往前移動(dòng)，直至產(chǎn)生位置。機(jī)頭渦在大約時(shí)產(chǎn)生，且呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)。漩渦破裂點(diǎn)也是隨著迎角的增大而前移，在，渦都基本呈現(xiàn)對(duì)稱，達(dá)到，渦系呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)，渦在上下方向有運(yùn)動(dòng)，破裂點(diǎn)位置也在交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)。八.思考題1 .染色液流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)中，為得到可靠的流動(dòng)顯示結(jié)果，有哪些問(wèn)題需要注意？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。染色液物理性質(zhì)與水接近，流量穩(wěn)定，避免

9、射流，拍攝角度要好，避免倒影反光等的影響。2 .邊條對(duì)機(jī)翼流動(dòng)和飛機(jī)氣動(dòng)性能有何影響?一定角度內(nèi)提供較大渦升力，對(duì)主翼流場(chǎng)也有較大影響，減阻增升，可為戰(zhàn)斗機(jī)提供高機(jī)動(dòng)性。3 .機(jī)頭渦的非對(duì)稱性是如何產(chǎn)生的，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)力會(huì)帶來(lái)哪些影響？模型不對(duì)稱和雷諾數(shù)影響造成的不對(duì)稱分離是形成非對(duì)稱漩渦流型的原因。只要機(jī)頭稍有不對(duì)稱（包括物面粗糙程度）將引起邊界層轉(zhuǎn)援不對(duì)稱從而導(dǎo)致邊界層的分離不對(duì)稱，最后形成非對(duì)稱的機(jī)頭渦。當(dāng)迎角增加到一定值后，即使側(cè)滑角為零，在機(jī)身上會(huì)受到一定大小的側(cè)向力。4 .尖前緣后掠翼大攻角流動(dòng)為何對(duì)Re數(shù)變化不敏感？飛機(jī)的飛行環(huán)境是空氣，不同于水，但飛機(jī)大攻角流動(dòng)及渦系干擾的流動(dòng)問(wèn)題為何能夠在水中進(jìn)行模擬？尖前緣分離點(diǎn)固定，本實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)力系數(shù)與Re數(shù)無(wú)關(guān)，相似參數(shù)一致就可以，Re數(shù)影響分離位置。相似準(zhǔn)則與介質(zhì)無(wú)關(guān)，位于自相似區(qū)。參考文獻(xiàn)：1范潔川.近代流動(dòng)顯示技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社，20022夏雪渝，鄧學(xué)瑩.工程分離流動(dòng)力學(xué).