三角翼氣動特性試驗

1、三角翼氣動特性試驗,風(fēng)洞試驗簡述：實驗空氣動力學(xué)是空氣動力學(xué)的一個分支，是用實驗方法研究飛行器及 其它物體在與空氣或其它氣體作相對運動時的氣動特性、運動規(guī)律和各種復(fù) 雜物理現(xiàn)象。由于是直接研究物體與真實氣流間的相互作用，所得數(shù)據(jù)可以 用作工程設(shè)計的依據(jù)，驗證理論計算結(jié)果并能揭示新的流動現(xiàn)象，為理論分 析提供物理模型。實驗空氣動力學(xué)作為一門分支學(xué)科是 20世紀(jì)40年代形成的。它的形成 同飛行器高速發(fā)展，要求迅速獲得大量復(fù)雜、精確、可靠的設(shè)計數(shù)據(jù)有關(guān)。 它的主要內(nèi)容除空氣動力學(xué)基礎(chǔ)理論外，還包括實驗理論、實驗方法和實驗 設(shè)備的知識。實驗空氣動力學(xué)的主要任務(wù)是利用風(fēng)洞進行模型實驗，以發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)流 動

2、現(xiàn)象、探索和揭示流動機理、尋求和了解流動規(guī)律，并為飛行器提供優(yōu)良 氣動布局和空氣動力特性數(shù)據(jù)，風(fēng)洞實驗所依據(jù)的基本理論是相對運動原理 和相似理論。相對運動原理：無論是固體以某一均勻速度在靜止的流體中運動，還是 流體以相同速度流經(jīng)固體，兩者之間的相互作用力恒等。相似理論：論述物理現(xiàn)象相似的條件和相似現(xiàn)象的性質(zhì)的學(xué)說。是模擬 的理論基礎(chǔ)。相似理論的重要課題是確定各種物理現(xiàn)象的相似準(zhǔn)數(shù)。風(fēng)洞是進行空氣動力學(xué)實驗的一種主要設(shè)備，幾乎絕大多數(shù)的空氣 動力學(xué)實驗都在各種類型的風(fēng)洞中進行。風(fēng)洞的工作原理是使用動力裝 置在一個專門設(shè)計的管道內(nèi)驅(qū)動一股可控氣流，使其流過安置在實驗段 的靜止模型，模擬實物在靜止空

3、氣中的運動。測量作用在模型上的空氣 動力，觀測模型表面及周圍的流動現(xiàn)象。根據(jù)相似理論將實驗結(jié)果整理 成可用于實物的相似準(zhǔn)數(shù)。實驗段是風(fēng)洞的中心部件，實驗段流場應(yīng)模 擬真實流場，其氣流品質(zhì)如均勻度、 穩(wěn)定度（指參數(shù)隨時間變化的情況） 湍流度等，應(yīng)達到一定指標(biāo)。風(fēng)洞實驗的主要優(yōu)點是：實驗條件（包括氣流狀態(tài)和模型狀態(tài)兩方面）易于控制。流動參數(shù)可各自獨立變化。模型靜止，測量方便而且容易準(zhǔn)確。一般不受大氣環(huán)境變化的影響 。與其他空氣動力學(xué)實驗手段相比，價廉、可靠等。缺點是難以滿足全部相似準(zhǔn)數(shù)相等，存在洞壁和模型支架干擾等， 但可通過數(shù)據(jù)修正方法部分或大部分克服。風(fēng)洞實驗的主要常規(guī)試驗有測力試驗、測壓試驗

4、和流態(tài)觀測試驗等。測力和測壓試驗是測定作用于模型或模型部件（如飛行器模型中的一個 機翼等）的氣動力及表面壓強分布，多用于為飛行器設(shè)計提供氣動特性 數(shù)據(jù)。流態(tài)觀測試驗廣泛用于研究流動的基本現(xiàn)象和機理。.實驗內(nèi)容：.根據(jù)風(fēng)洞實驗段尺寸和實驗項目要求完成實驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和模型支撐結(jié) 構(gòu)的設(shè)計。.編寫模型測力和流動顯示實驗大綱（或?qū)嶒炄蝿?wù)書）。.固定風(fēng)速，改變模型姿態(tài)（例如，改變模型迎角）測量不同姿態(tài)下的模 型氣動力；對模型做重復(fù)性試驗。.對測力模型做流動顯示實驗（分別做模型煙流顯示實驗和油流顯示實驗）.實驗儀器及設(shè)備：D1低速風(fēng)洞主要組成部分為實驗段、擴壓段、拐角和導(dǎo)流片、穩(wěn)定段、收 縮段以及動力段。

5、實驗段截面為橢圓面，具入口長軸為102cm,短軸為76cm,出口處長軸為107cm,短軸為81cm；實驗段全長1.45m；實驗段的最大流速為 50m/s；紊流度為0.3%;實驗段模型安裝區(qū)內(nèi)，速壓不均勻度3%。其上游收縮段的收縮比為8.4。D1低速風(fēng)洞采用可控硅控制無級調(diào)速；配置有尾撐式-機構(gòu)及內(nèi)式六分量應(yīng)變天平。由信號放大器（GDA-10）, A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 采集板和計算機構(gòu)成測力天平信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4-6SO北航川低速風(fēng)洞實驗原理：當(dāng)物體以某一速度在靜止的空氣中運動時， 氣流對物體的作用與同一速度的 氣流流過靜止物體時的作用完全相同。 風(fēng)洞就是一種產(chǎn)生人工氣流，對固定于風(fēng) 洞試驗段的

6、模型產(chǎn)生氣動力作用的管道設(shè)備。六分量應(yīng)變天平：是一種專用的測力傳感器。用于測量作用在模型上的空氣動力 的大小。該天平能測量升力、阻力、側(cè)力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩。它 由應(yīng)變片、彈性元件、天平體和一些附件組成。應(yīng)變天平是一種將機械量轉(zhuǎn)變?yōu)?電量輸出的專用設(shè)備。它是運用位移測量原理，利用天平的變形來測量外力大小。 將應(yīng)變片貼在天平彈性元件上，彈性元件上的應(yīng)變與外力大小成比例， 應(yīng)變片連 接組成測量電橋，接入測量線路中，即可測出力的大小。應(yīng)變天平在測量過程中 的參量變化過程如下：PR U V其中：P一天平彈性元件上承受的氣動力。一在氣動力P的作用下彈性元件上的應(yīng)變。R一貼在彈性元件上的應(yīng)變片

7、在彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的情況下產(chǎn)生的電阻增量。天舉吉構(gòu)示意圖U 一由應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻增量R而引起的測量電橋產(chǎn)生的輸出電壓增量（mV）。V一檢測儀器所指示的讀數(shù)增量（V）。右下圖為一六分量應(yīng)變天平測量電橋示意圖。 圖中標(biāo)有號碼處為粘貼有電阻應(yīng)變 片的天平元件。例如號碼1、2、3、4為天平升力元件的四個電阻阻值相等的應(yīng)變片，它們構(gòu)成了一個全橋電路。當(dāng)天平升力元件 受載后，在電橋AC端將會有電壓信號 U輸出， 該信號U將被引入信號放大器。信號放大器（GDA 10）:其功用是將來自于天平 各分量電橋的微小電壓輸出放大到能被計算機接 受的電壓值。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板：由于計算機只能處理數(shù) 字信號，而天平

8、各分量的輸出信號是模擬信號，因 此須先用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板將天平輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方 能由計算機對采集的信號數(shù)據(jù)進行處理 計算機：通過已有程序軟件對試驗?zāi)Ｐ偷臏y力進行過程控制、數(shù)據(jù)采集和后處理模型煙線流動顯示、表面油流顯示原理參見附錄1、2。.實驗步驟：1）將實驗?zāi)Ｐ桶惭b于測力天平上。對試驗?zāi)Ｐ妥鏊交虼怪闭{(diào)整。將模型的 攻角、側(cè)滑角分別調(diào)整為0角。2）檢查各有關(guān)設(shè)備之間的連線是否連接正確。3）打開計算機，然后是放大器及天平電源。4）通過計算機測力系統(tǒng)軟件檢測天平各分量的信號輸出值是否正常。通常未加載時各分量信號輸出值應(yīng)小于 0.6V。5）測量并記錄天平各分量初始數(shù)據(jù)（即，天

9、平各分量靜態(tài)數(shù)值）。開啟風(fēng)洞（風(fēng)洞開啟步驟詳見風(fēng)洞操作規(guī)程）將風(fēng)速調(diào)整為約xx米/秒，側(cè)滑角為 =0,改變攻角 攻角變化范圍 =xxx,攻角變化間隔為 X。（迎角機構(gòu)的操作使用方法詳見北航 D1低速風(fēng)洞模型姿態(tài)角機構(gòu)控制系統(tǒng)操作規(guī)程）?；蛑桓淖冿L(fēng)速，而不改變模型姿態(tài)。6）做模型測力實驗。7）模型煙線流動顯示、表面油流顯示實驗步驟參見附錄1、2。8）本次實驗?zāi)Ｐ蜑楹舐咏?70。、45。的三角翼模型，翼弦分別為 b=0.4、0.25米，翼展分別為1=0.29、0.5米。展弦比=l2/S=1.4S 4.實驗報告要求：.實驗報告應(yīng)包括：實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗儀器與設(shè)備、實驗原理、 實驗步驟、實驗時間

10、地點及參加人員、實驗結(jié)果分析等內(nèi)容。.對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行詳細(xì)分析和討論，總結(jié)規(guī)律，給出結(jié)論。.實驗報告要求書寫工整，格式規(guī)范。符合學(xué)校關(guān)于實驗報告的基本要求。.試驗注意事項：.實驗?zāi)Ｐ桶惭b時，應(yīng)特別注意不觸碰天平應(yīng)變片及其連線，同時應(yīng)避免 對天平施加沖擊過度擠壓，扭轉(zhuǎn)和彎曲等力的作用。.計算機采集系統(tǒng)的開啟順序為：計算機一一放大器一一天平電源； 計算機采集系統(tǒng)的關(guān)閉順序為：天平電源一一放大器一一計算機。.風(fēng)洞運行和停車，以及風(fēng)速調(diào)節(jié)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進行。.儀器設(shè)備出現(xiàn)異常和緊急故障時，應(yīng)立即通告試驗指導(dǎo)教師。.實驗結(jié)果分析討論：.簡述風(fēng)洞實驗原理。.根據(jù)測量數(shù)據(jù)結(jié)果會出相應(yīng)的參數(shù)變化關(guān)系曲線。

11、.給出模型氣動特性隨速度或姿態(tài)的變化規(guī)律。.通過流動顯示實驗觀察三角翼繞流流態(tài)隨迎角變化的流動特性和流動規(guī) 律。.由測力實驗和流動顯示實驗分析前緣渦破裂對三角翼氣動力特性的影響。.分析模型外形不同（展弦比、后掠角等）引起的氣動特性差異的原因附錄1.三角翼煙流顯示試驗一.概述煙流顯示分煙管法和煙線法。煙管法是利用油受熱蒸發(fā)的原理，設(shè)計一個煙 霧發(fā)生器，將煙霧引入風(fēng)洞進行流動顯示。煙線法是在風(fēng)洞模型的上游橫放一根 與來流垂直的金屬電阻絲線，或在模型特定位置固定金屬電阻絲線， 實驗前在金 屬電阻絲線上涂上一層油，實驗時，通電使金屬電阻絲線發(fā)熱，油受熱發(fā)煙，形 成白色煙霧，隨氣流向下游流去。該方法是一

12、種三維立體顯示復(fù)雜流動 （如分離 流動和旋渦流動）的非常簡便有效的手段。其技術(shù)特點是可以在風(fēng)洞中比較方便 和迅速地獲得模型的空間流態(tài)?？梢灾庇^的了解流體繞過模型表面發(fā)生分離的位 置、分離方式和特點以及旋渦的空間演化過程。二.煙線流動顯示的實驗原理：煙流顯示的煙線技術(shù)是利用電阻絲加熱的原理，當(dāng)使一根0.1mm的金屬電阻絲表面均勻涂抹上發(fā)煙油時，由于油的表面張力，這些油在電阻絲上會形成一 系列小油珠。當(dāng)電阻絲通電加熱時，油滴因受熱氣化而形成油蒸氣，并隨氣流離 開電阻絲后，在常溫的氣流中又立即凝結(jié)成十分細(xì)小的油霧滴（該霧滴屬于蒸汽 冷凝的氣溶膠，是直徑約為1mm的微小液態(tài)粒子）。這些霧微粒跟隨氣流流

13、動而 顯示可見的繞流形態(tài)，所以煙線顯示實質(zhì)上是以油的霧滴為示蹤粒子的流動顯示 方法。煙線顯示實驗用的發(fā)煙油應(yīng)以發(fā)煙白、濃密、無毒、無腐蝕性且有足夠的 粘性，通常風(fēng)洞煙線顯示實驗選擇甘油和石蠟油。這些油的表面張力很大，在 1cm長的電阻絲上可凝結(jié)成約8個小油珠，加熱后將產(chǎn)生8條煙線。三.煙線流動顯示的基本方法：煙線技術(shù)就是使金屬電阻絲通電受熱，使涂抹在金屬電阻絲上的油蒸發(fā)產(chǎn)生 煙霧，但這種方法產(chǎn)生的煙霧量少、時間短，要想獲得理想的流動顯示照片（圖 像）必須掌握好拍攝的時機，并對相機（攝像機）、光源以及發(fā)煙裝置進行同步 控制。發(fā)煙用的電阻絲宜采用電阻率大、強度高、韌性好的材料，如柏絲、鴇絲及 鍥銘

14、絲。絲徑的選擇，按以電阻絲直徑 d為特征長度的雷諾數(shù)40為準(zhǔn)則選取。電阻絲的通電電源為直流電源，且電源電壓是可調(diào)的，通常調(diào)節(jié)范圍為幾十 伏300V。發(fā)煙油宜選擇粘度大的油品（甘油和石蠟油）。發(fā)煙濃度的改變是靠調(diào)節(jié)煙 線兩端的電壓來獲取的，當(dāng)風(fēng)洞試驗段流場中的風(fēng)速提高時， 為了保證清晰的煙 流跡線須提高電阻絲線的發(fā)煙量，為此應(yīng)提高煙線的端電壓。實際試驗中電壓的 選取是通過調(diào)試來確定的。只要試驗段氣流中煙流跡線清晰可辨， 就可認(rèn)為電壓 調(diào)節(jié)滿足要求。用煙線法顯示的流動圖像需利用照相機或攝像機進行圖像記錄。但由于煙流跡線在實驗過程中延續(xù)的時間很短，給照相（或攝像）帶來較大困難，為此，可 設(shè)計專門的時

15、間同步控制電路來保證能拍攝到清晰的煙流跡線流譜。另外圖像的清晰程度和反差的好壞還取決于光源的安排。煙流顯示圖像記錄對光源的基本要 求是應(yīng)具有足夠的均勻照度，以便得到較強的跡線流譜散射光。 對于攝像通常使 用（1000W3000W）新聞燈作為連續(xù)光源。而單幅攝影可使用高亮度的閃光燈。 布置光源時應(yīng)盡量減少物體背影的反射光，通常拍攝背景應(yīng)取成黑色。四.實驗步驟1）將電阻絲線放置在與三角翼前緣平行的下表面，離前緣稍后的位置上，由 于三角翼材質(zhì)為金屬，因此需使用橡膠墊塊等絕緣材料固定電阻絲線，避 免三角翼與電阻絲線直接接觸而發(fā)生短路。2）將三角翼模型安裝于試驗支架上。對機翼調(diào)水平。并將機翼的攻角 調(diào)整

16、到 0、側(cè)滑角調(diào)整為0。3）將電阻絲線與發(fā)煙控制線路連接，并檢查線路連接是否安全準(zhǔn)確。4）調(diào)整拍攝光源位置直至滿足拍攝要求。5）試刷發(fā)煙油，按風(fēng)洞運行使用要求開啟風(fēng)洞，風(fēng)速調(diào)節(jié)到25m/s左右，調(diào)試試驗中所需電壓直至煙流跡線清晰可辨。6）按實驗大綱（或?qū)嶒炄蝿?wù)書）完成模型煙線流動顯示實驗。附錄2.三角翼表面油流顯示試驗一.概述表面油流顯示技術(shù)是風(fēng)洞實驗中最常用的流動顯示技術(shù)之一，主要用于顯示物面的流動圖譜。該方法是一種顯示復(fù)雜流動中如分離流動和旋渦流動的非常簡 便有效的手段。其技術(shù)特點是可以在風(fēng)洞中比較方便和迅速地獲得模型表面的流 譜。通過對表面油流譜圖的分析可以了解流體在表面發(fā)生分離的位置、

17、分離方式和特點以及旋渦的形成等等。二.表面油流顯示的基本原理對于油流實驗，首先要了解油流譜圖中油流軌跡顯示了氣體繞流中何種特 性以及油膜的存在對表面流動特性的影響。為此應(yīng)該分析在外流場作用下物面上 油膜運動的基本方程，從而了解表面油流的基本原理。.油膜層油流軌跡線在油流實驗時，通常將帶有細(xì)微示蹤粒子的油劑薄薄地涂在試驗?zāi)Ｐ偷谋?面上，油膜厚度小于邊界層厚度。因此當(dāng)在風(fēng)洞中進行吹風(fēng)時，油膜在邊界層內(nèi) 氣流的作用下做緩慢的粘性運動形成油流譜。油膜的下邊界是物面，應(yīng)滿足無滑 移條件，即在物體表面上油的流速為零。油膜上邊界與氣流相接，在油、氣界面 上油流和氣流的速度相等，同時油流和氣流的剪應(yīng)力也相等。

18、油膜層流動應(yīng)滿足動量守恒和連續(xù)方程，并滿足油層與氣流界面以及下邊 界物面上的邊界條件?？紤]到油層很薄，它與氣流邊界層厚度 是同一數(shù)量級的， 并且空氣的粘性比油膜的粘性小很多，它們的比值=空氣/油是小量。因此像物面 上邊界層流動一樣，對油層方程進行量綱分析，比較各項數(shù)量級使油層方程簡化， 并可得到像邊界層內(nèi)流動一樣的結(jié)論： 油膜層中壓力沿油層厚度不變，也就是說 穿過油膜層的壓力是常數(shù)。即p2(x,y)= pi(x,y)= p0(x,y),其中下角標(biāo)“ 2”表示油 層流動參數(shù)，“0”表示氣流邊界層外緣上的自由流參數(shù),“ 1 ”表示油膜上氣流邊 界層流動參數(shù)。.油層厚度的影響首先物面上油膜厚度h使試

19、驗物體的形狀有所改變。但是在油流實驗時試驗?zāi)Ｐ捅砻嫠康挠蛯雍鼙。乙话阍诖碉L(fēng)的最初1020s內(nèi)物面的油膜厚度 還將進一步減小，所以可忽略油膜厚度引起的幾何影響。其次當(dāng)在物面上存在油 膜時，物面是油、氣分界面，氣流速度 ui、vi在界面上不等于零，破壞了氣流在 物面上的無滑移邊界條件。只要油膜足夠薄，并且所選油劑的粘性系數(shù)比空氣的 粘性系數(shù)足夠大，即1,那么油、氣界面上的氣流速度ui= U2, vi= V2,兩者差是足夠小的。也就是油膜的影響是十分小的，即(ui/ z) z=h ( ui/ z) z=0; ( vi/ z) z=h ( Vi/ Z)z=0,這時油流軌跡線 方程近似為dy(vi

20、 /Z)z0ywdx(ui /z)z0 xw式中yw, xw分別表示氣流在壁面上的摩擦應(yīng)力分量。該方程就是無油層時物表 面摩擦力線方程。該式表明，油流軌跡線近似地顯示了氣流繞流中物面摩擦力線。 因此油流技術(shù)實際上是一種顯示氣流在物面上摩擦力線圖譜的實驗技術(shù)。三.表面油流試驗方法表面油流技術(shù)所使用的涂層是一種由油劑與粒度非常細(xì)小的粉末混合組成 的。油劑是一種載體，而粉末是一種示蹤粒子。需要指出的是，由于油的粘性、 表面張力、模型表面光滑程度、試驗風(fēng)速以及試驗季節(jié)溫度等條件影響油流圖譜 的清晰程度，因此油流試驗中涂層的配制，涂刷方法等技術(shù)問題有很大的經(jīng)驗性。 為了獲得更好的效果，可以資料提供的方法為依據(jù)，在正式試驗前進行一些預(yù)先 試驗，適當(dāng)調(diào)整涂層配制比例直至獲得清晰的流動圖譜。.涂層配制i)示蹤粒子為二氧化鈦(白色)粉末。俗稱鈦白粉。使用前應(yīng)先將二氧化鈦 烘烤2030分鐘，以去掉二氧化鈦中的水分。然后放入插缽中研