大學生物理實驗報告

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試驗空氣動力學是空氣動力學的一個分支，是用試驗方法討論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)律和各種繁復物理現象。由于是徑直討論物體與真實氣流間的相互作用，所得數據可以用作工程設計的依據，驗證理論計算結果并能揭示新的流淌現象，為理論分析提供物理模型。

試驗空氣動力學作為一門分支學科是20世紀40時代形成的。它的形成同飛行器高速進展，要求快速獲得大量繁復、精確、牢靠的設計數據有關。它的主要內容除空氣動力學基礎理論外，還包括試驗理論、試驗方法和試驗設備的知識。

試驗空氣動力學的主要任務是利用風洞進行模型試驗，以發(fā)覺和確認流淌現象、探究和揭示流淌機理、尋求和了解流淌規(guī)律，并為飛行器提供優(yōu)良氣動布局和空氣動力特性數據，風洞試驗所依據的基本理論是相對運動原理和相像理論。

相對運動原理：無論是固體以某一勻稱速度在靜止的流體中運動，還是流體以相同速度流經固體，兩者之間的相互作用力恒等。

相像理論：論述物理現象相像的條件和相像現象的性質的學說。是模擬的理論基礎。相像理論的重要課題是確定各種物理現象的相像準數。

風洞是進行空氣動力學試驗的一種主要設備，幾乎絕大多數的空氣動力學試驗都在各種類型的風洞中進行。風洞的工作原理是運用動力裝置在一個特地設計的管道內驅動一股可控氣流，使其流過安置在試驗段的靜止模型，模擬實物在靜止空氣中的運動。測量作用在模型上的空氣動力，觀測模型表面及四周的流淌現象。依據相像理論將試驗結果整理成可用于實物的相像準數。試驗段是風洞的中心部件，試驗段流場應模擬真實流場，其氣流品質如勻稱度、穩(wěn)定度〔指參數隨時間改變的狀況〕、湍流度等，應達到肯定指標。

風洞試驗的主要優(yōu)點是：

①試驗條件〔包括氣流狀態(tài)和模型狀態(tài)兩方面〕易于掌握。

②流淌參數可各自獨立改變。

③模型靜止，測量方便而且簡單精確。

④一般不受大氣環(huán)境改變的影響。

⑤與其他空氣動力學試驗手段相比，價廉、牢靠等。

缺點是難以滿意全部相像準數相等，存在洞壁和模型支架干擾等，但可通過數據修正方法部分或大部分克服。

風洞試驗的主要常規(guī)試驗有測力試驗、測壓試驗和流態(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，多用于為飛行器設計提供氣動特性數據。流態(tài)觀測試驗廣泛用于討論流淌的基本現象和機理。

二.試驗內容：

1.依據風洞試驗段尺寸和試驗項目要求完成試驗模型的結構和模型支撐結構的設計。

2.編寫模型測力和流淌顯示試驗大綱〔或試驗任務書〕。

3.固定風速，轉變模型姿態(tài)〔例如，轉變模型迎角〕測量不同姿態(tài)下的模型氣動力；對模型做重復性試驗。

4.對測力模型做流淌顯示試驗〔分別做模型煙流顯示試驗和油流顯示試驗〕

三.試驗儀器及設備：

D1低速風洞主要組成部分為試驗段、擴壓段、拐角和導流片、穩(wěn)定段、收縮段以及動力段。試驗段截面為橢圓面，其入口長軸為102cm，短軸為76cm，出口處長軸為107cm，短軸為81cm；試驗段全長1.45m；試驗段的最大流速為50m/s；紊流度為0.3%；試驗段模型安裝區(qū)內，速壓不勻稱度3%。其上游收縮段的收縮比為8.4。D1低速風洞采納可控硅掌握無級調速；配置有尾撐式—機構及內式六份量應變天平。由信號放大器〔GDA—10〕，A/D模數轉換數據采集板和計算機構成測力天平信號數據采集系統(tǒng)。

試驗原理：

當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。風洞就是一種產生人工氣流，對固定于風洞試驗段的模型產生氣動力作用的管道設備。

六份量應變天平：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、側力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉力矩。它由應變片、彈性元件、天平體和一些附件組成。應變天平是一種將機械量轉變?yōu)殡娏枯敵龅膶Ｓ迷O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。將應變片貼在天平彈性元件上，彈性元件上的應變與外力大小成比例，應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。應變天平在測量過程中的`參量改變過程如下：

PRUV

其中：

P—天平彈性元件上承受的氣動力。

—在氣動力P的作用下彈性元件上的應變。

R—貼在彈性元件上的應變片在彈性元件產生應變的狀況下產生的電阻增量。

U—由應變片產生的電阻增量R而引起的測量電橋產生的輸出電壓增量〔mV〕。

V—檢測儀器所指示的讀數增量〔V〕。

右下列圖為一六份量應變天平測量電橋示意圖。圖中標有號碼處為粘貼有電阻應變片的天平元件。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變片，它們構成了一個全橋電路。當天平升力元件

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

各份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模數轉換數據采集板：由于計算機只能處理數

字信號，而天平各份量的輸出信號是模擬信號，因

此須先用A/D模數轉換數據采集板將天平輸出的模擬信號轉換成數字信號，方能由計算機對采集的信號數據進行處理。

計算機：通過已有程序軟件對試驗模型的測力進行過程掌握、數據采集和后處理。模型煙線流淌顯示、表面油流顯示原理參見附錄1、2。

四.試驗步驟：

1〕將試驗模型安裝于測力天平上。對試驗模型做水平或垂直調整。將模型