油膜干涉法測量壁面摩擦應(yīng)力實驗指導(dǎo)書

，上京彳無咳巔;夭大爭BEIHANGUNIVERSITY研究生《流體力學(xué)實驗》—油膜干涉法測量壁面摩擦應(yīng)力實驗指導(dǎo)書學(xué)號DY1405107姓名 實驗日期4.12 指導(dǎo)教師 北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所一、實驗?zāi)康恼莆沼湍じ缮娣y量壁面摩擦應(yīng)力的基本原理、應(yīng)用方法和測量過程中應(yīng)注意的技術(shù)問題。以不同攻角下平板邊界層流動為觀測對象，學(xué)會利用油膜干涉法測量不同邊界層性態(tài)下(層流和湍流)的壁面摩擦應(yīng)力，了解層流和湍流邊界層表面摩擦應(yīng)力差別；并學(xué)會如何利用這種方法去觀測表面流動的典型復(fù)雜現(xiàn)象，如判定邊界層轉(zhuǎn)捩位置、流動分離和再附及分離泡等，對這種方法能夠用來解決哪些流體力學(xué)問題有一個直接全面的了解。2ncos0AxC o-f NXJt2/(t)dtt1卩(t)其中：n0為硅油的折射率，在硅油的規(guī)格說明上可以找到；0為光線折射角，先測量入射角q再計算得到；入為實驗選用單色光的波長；qm(t)為來流動壓；x為實驗干涉圖像中N級條紋的總寬度，如圖1所示；“為硅油動力粘性系數(shù)；t為時間，吹風(fēng)時間t1到t2。三、實驗設(shè)備和實驗裝置2.1水洞設(shè)備北航D-1低速風(fēng)洞為三元回流式開口風(fēng)洞，見圖2。實驗段截面呈橢圓，尺寸為1.02米X0.76米，長1.45米。最大風(fēng)速40m/s,本次實驗風(fēng)速可設(shè)定為30m/s。圖2?北航D-1風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖2.2實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灢捎闷桨迥Ｐ?，如圖3a所示，弦長400mm，展長560mm，厚20mm。頭部采用1：3半橢圓形狀。為保證流動二維性，側(cè)面采用兩塊直徑為600mm、厚20mm的端板，端板邊緣加工成圓弧用于整流。模型安裝時，轉(zhuǎn)軸穿將平板模型和兩端板連接起來，轉(zhuǎn)軸位于端板中心。實驗時，兩端板固聯(lián)于風(fēng)洞，模型可轉(zhuǎn)動。根據(jù)實驗攻角變化間隔和范圍，在端板上加工一組定位銷孔，通過銷釘與模型上削釘孔分別對應(yīng)，實現(xiàn)攻角變化?？勺児ソ欠秶鷄=0°?20°，間隔Aa=2°02.3.實驗裝置和觀測系統(tǒng)實驗裝置和測試系統(tǒng)如圖3b所示。包括照明燈具，模型表面處理，硅油和圖像記錄設(shè)備。照明燈具：選用歐司朗牌高壓鈉燈，波長589nm，功率200W。模型表面處理：模型表面要求可反射光，表面粗糙度低，折射率高。固需在測量區(qū)域粘貼聚酯薄膜（Mylar膜），然后熨斗熨燙，保證薄膜貼附平整牢靠，避免起皺、

氣泡和劃痕，如圖4所示。硅油：選用阿拉丁牌實驗室級二甲基硅油，粘度為lOOmPa?s,折射率1.4。圖像記錄：選用SONYDV攝像機（型號HXR-MC58C）進(jìn)行拍攝和記錄干涉條紋圖像，1200萬像素，記錄頻率像，1200萬像素，記錄頻率25幀/秒。圖4.圖4.實驗準(zhǔn)備a.實驗?zāi)Ｐ蚥.a.實驗?zāi)Ｐ蛨D3.實驗?zāi)Ｐ秃陀^測系統(tǒng)四、實驗觀測內(nèi)容實驗內(nèi)容分為兩部分，定性觀測和定量測量。定性觀測：通過油膜干涉法，觀測不同攻角下平板邊界層內(nèi)的流動，重點關(guān)注不同攻角下邊界層流的性態(tài)（層流還是湍流）和發(fā)生的復(fù)雜流動現(xiàn)象，如轉(zhuǎn)捩、流動分離何再附等，并判斷這些流動變化發(fā)生位置（轉(zhuǎn)捩點、分離點及分離泡范圍等）。實驗攻角范圍a=0°20。。根據(jù)上述定性觀測結(jié)果，選擇邊界層為層流和湍流的兩個典型狀態(tài)，定量測量對應(yīng)的壁面摩擦應(yīng)力大?。ㄓ嬎阋粋€流向位置即可），給出測量結(jié)果。對于其中的層流邊界層測量結(jié)果，給出理論計算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

六、實驗步驟與實施熟悉實驗設(shè)備和儀器，安裝模型和實驗測試系統(tǒng)，做好實驗準(zhǔn)備；記錄必要實驗參數(shù)；調(diào)整并確認(rèn)實驗攻角，模型表面涂油膜。開車啟動風(fēng)洞，風(fēng)速調(diào)整到30cm/s；觀察油膜干涉圖像，圖像效果比較好時，關(guān)閉風(fēng)洞。近距離拍攝吹風(fēng)后油膜干涉圖像。清除模型表面油膜，調(diào)整攻角到新的狀態(tài)，重復(fù)步驟3-5。注：定量測量壁面摩擦應(yīng)力實驗需要全程記錄動壓數(shù)據(jù)。七、實驗報告（參考提綱）1．實驗條件和參數(shù)記錄實驗雷諾數(shù)Re=UL/u，其中U為實驗風(fēng)速，L為平板長度，U為空氣運動粘性co co系數(shù)；試驗平板攻角a；定量測量實驗還需記錄：硅油的折射率％；硅油動力粘性系數(shù)|J；單色光的波長九；光線入射角折射角e（通過測量入射角q再計算得到）；實驗過程來流動壓qm（t）來流動壓；干涉條紋結(jié)果中N級條紋的總寬度x；以及吹風(fēng)起始時間t1和t2等。2．實驗結(jié)果和分析①通過油膜干涉法定性觀測結(jié)果，描述和分析平板邊界層流動隨迎角變化的典型流動現(xiàn)象，重點關(guān)注不同攻角下邊界層流的性態(tài)（層流還是湍流）和發(fā)生的復(fù)雜流動現(xiàn)象，如轉(zhuǎn)捩、流動分離何再附等，并給出這些流動變化發(fā)生位置（轉(zhuǎn)捩點、分離點及分離泡范圍等）。②根據(jù)上述定性觀測結(jié)果，選擇邊界層為層流和湍流的兩個典型狀態(tài)，定量測量對應(yīng)的壁面摩擦應(yīng)力大小，給出測量結(jié)果。對于測量邊界層測量結(jié)果（a=0°），計算理論結(jié)果進(jìn)行比較分析。要求：報告中關(guān)于定性和定量實驗結(jié)果都必需附有必要的實驗圖像結(jié)果。思考并回答問題通過自己實驗測量過程，分析那些環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生誤差？并提出如何改進(jìn)測量可靠性。如何利用油膜干涉法觀測邊界層轉(zhuǎn)捩、流動分離和再附？如果測量有曲率的模型表面，如機翼表面的剪切應(yīng)力，會有什么問題？如何消除曲率影響？本項實驗為新開發(fā)內(nèi)容，你認(rèn)為開設(shè)這項實驗有無必要？對實驗的內(nèi)容設(shè)置以及實驗過程的組織和安排有哪些意見和建議？通過這項實驗自己有哪些收獲？參考文獻(xiàn)：韓政，油膜干涉法測量壁面摩擦應(yīng)力的實驗方法[D].北京：北京航空航天大學(xué)學(xué)士論文，2013.丁超：油膜干涉法測量表面摩擦應(yīng)力的實驗研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)碩士論文，2012.Nau