油膜干涉法测量壁面摩擦应力实验指导书.doc

研究生流体力学实验油膜干涉法测量壁面摩擦应力实验指导书 学 号 DY1405107 姓 名 何仕培 实验日期 4.12 指导教师 郭辉 北京航空航天大学流体力学研究所一、 实验目的1. 掌握油膜干涉法测量壁面摩擦应力的基本原理、应用方法和测量过程中应注意的技术问题。2. 以不同攻角下平板边界层流动为观测对象，学会利用油膜干涉法测量不同边界层性态下（层流和湍流）的壁面摩擦应力，了解层流和湍流边界层表面摩擦应力差别；并学会如何利用这种方法去观测表面流动的典型复杂现象，如判定边界层转捩位置、流动分离和再附及分离泡等，对这种方法能够用来解决哪些流体力学问题有一个直接全面的了解。图1. 油膜干涉法测量表面摩擦应力原理图二、 基本原理油膜干涉法是基于薄油膜在剪切应力作用下表现出的特性，原理如图1所示。首先将油凃于模型表面形成薄油膜，当有流体流过，油膜变薄。利用干涉法测量油膜厚度随时间和壁面位置的变化，通过薄油膜方程可以确定当地壁面剪切应力。油膜干涉法积分形式的壁面摩擦应力（亦称剪切应力）系数计算公式： 其中：n0为硅油的折射率，在硅油的规格说明上可以找到；为光线折射角，先测量入射角i再计算得到；为实验选用单色光的波长；q (t)为来流动压；x为实验干涉图像中N级条纹的总宽度，如图1所示；为硅油动力粘性系数；t为时间，吹风时间t1到t2。三、 实验设备和实验装置2.1 水洞设备北航 D-1 低速风洞为三元回流式开口风洞，见图2。实验段截面呈椭圆，尺寸为 1.02 米0.76 米，长 1.45 米。最大风速40m/s，本次实验风速可设定为30m/s。图2.北航D-1风洞结构图2.2 实验模型 实验采用平板模型，如图3a所示，弦长400mm，展长560mm，厚20mm。头部采用1：3半椭圆形状。为保证流动二维性，侧面采用两块直径为600mm、厚20mm的端板，端板边缘加工成圆弧用于整流。模型安装时，转轴穿将平板模型和两端板连接起来，转轴位于端板中心。实验时，两端板固联于风洞，模型可转动。根据实验攻角变化间隔和范围，在端板上加工一组定位销孔，通过销钉与模型上削钉孔分别对应，实现攻角变化。可变攻角范围= 020，间隔=2。2.3.实验装置和观测系统实验装置和测试系统如图3b所示。包括照明灯具，模型表面处理，硅油和图像记录设备。照明灯具：选用欧司朗牌高压钠灯，波长589nm，功率200W。模型表面处理：模型表面要求可反射光，表面粗糙度低，折射率高。固需在测量区域粘贴聚酯薄膜（Mylar 膜），然后熨斗熨烫，保证薄膜贴附平整牢靠，避免起皱、气泡和划痕，如图4所示。硅油：选用阿拉丁牌实验室级二甲基硅油，粘度为100mPas，折射率1.4。图像记录：选用SONY DV 摄像机（型号HXR-MC58C）进行拍摄和记录干涉条纹图像，1200万像素，记录频率25帧/秒。a. 实验模型b. 实验系统设置图3. 实验模型和观测系统图4. 实验准备四、 实验观测内容实验内容分为两部分，定性观测和定量测量。1. 定性观测：通过油膜干涉法，观测不同攻角下平板边界层内的流动，重点关注不同攻角下边界层流的性态（层流还是湍流）和发生的复杂流动现象，如转捩、流动分离何再附等，并判断这些流动变化发生位置（转捩点、分离点及分离泡范围等）。实验攻角范围= 020。2. 根据上述定性观测结果，选择边界层为层流和湍流的两个典型状态，定量测量对应的壁面摩擦应力大小（计算一个流向位置即可），给出测量结果。对于其中的层流边界层测量结果，给出理论计算结果进行比较分析。图5 吹风过程动压随时间变化记录结果五、 实验记录1.必要的实验参数，如照明光入波长和折射角，硅油粘度（和温度有关）和折射率等。2.利用照相机或摄像机记录油膜干涉法的干涉条纹图像。3.定量测量过程需记录整个风洞吹风过程中动压的数据q (t)，如图5所示。六、 实验步骤与实施1. 熟悉实验设备和仪器，安装模型和实验测试系统，做好实验准备；2.记录必要实验参数；3. 调整并确认实验攻角，模型表面涂油膜。4. 开车启动风洞，风速调整到30cm/s；5. 观察油膜干涉图像，图像效果比较好时，关闭风洞。近距离拍摄吹风后油膜干涉图像。6. 清除模型表面油膜，调整攻角到新的状态，重复步骤3-5。注：定量测量壁面摩擦应力实验需要全程记录动压数据。七、 实验报告(参考提纲)1实验条件和参数记录 实验雷诺数Re= UL /，其中U为实验风速， L为平板长度，为空气运动粘性系数；试验平板攻角；定量测量实验还需记录：硅油的折射率n0；硅油动力粘性系数；单色光的波长；光线入射角折射角（通过测量入射角i再计算得到）；实验过程来流动压q (t)来流动压；干涉条纹结果中N级条纹的总宽度x；以及吹风起始时间t1和t2等。2实验结果和分析通过油膜干涉法定性观测结果，描述和分析平板边界层流动随迎角变化的典型流动现象，重点关注不同攻角下边界层流的性态（层流还是湍流）和发生的复杂流动现象，如转捩、流动分离何再附等，并给出这些流动变化发生位置（转捩点、分离点及分离泡范围等）。根据上述定性观测结果，选择边界层为层流和湍流的两个典型状态，定量测量对应的壁面摩擦应力大小，给出测量结果。对于测量边界层测量结果（= 0），计算理论结果进行比较分析。要求：报告中关于定性和定量实验结果都必需附有必要的实验图像结果。3.思考并回答问题1.通过自己实验测量过程，分析那些环节可能产生误差？并提出如何改进测量可靠性。2.如何利用油膜干涉法观测边界层转捩、流动分离和再附？3.如果测量有曲率的模型表面，如机翼表面的剪切应力，会有什么问题？如何消除曲率影响？4.本项实验为新开发内容，你认为开设这项实验有无必要？对实验的内容设置以及实验过程的组织和安排有哪些意见和建议？通过这项实验自己有哪些收获？参考文献： 1韩政，油膜干涉法测量壁面摩擦应力的实验方法D. 北京：北京航空航天大学学士论文，2013.2丁超：油膜干涉法测量表面摩擦应力的实验研究D. 南京：南京航空航天大学硕士论文，