实验空气动力学FDU

1、实验空气动力学实验空气动力学FDU课程简介课程简介内容提要教学内容教学目标基本要求成绩评定1 教学内容讲授和实验v常用的仪器、设备，以及基本参数的测量方法v结合讲课内容安排相应的基础实验和若干专题实验v本学期教学安排阅读材料vMIT开放课件中国镜像http:/航空航天系的实验项目课程1 教学内容自主设计的实验v可选套餐，供有兴趣的同学选择。可免做计划内的部分实验，实验部分成绩可视自主项目完成情况给定。v提交设计方案，任课教师同意后，即可实施。v每个项目最多不超过两人。2 教学目标掌握空气动力学基本参数的测量方法加深对有关空气动力学现象和规律的认识了解一个实验项目的全过程，初步具备独立从事空气动

2、力学实验工作的意识体会实验设计与空气动力学理论之间的联系训练撰写实验报告（学术论文）的能力v准确、清晰、简洁、规范的书面表达v绘图、做表、计算、分析3 基本要求 实验前认真预习 实验时仔细观察实验现象，认真读取实验数据 独立完成实验报告 v 一律手写v 报告内容：未必严格按下面的顺序，但要完整的包括这些内容实验名称 实验者姓名 组号 日期实验目的（研究背景与动机）实验原理（研究方法）实验装置、设备包括设备连接示意图实验步骤数据处理方法 数据图表和分析（研究结果和讨论）结论（研究结论）4 成绩评定平时实验 45v实验过程v实验报告期末考试（笔试，开卷） 45课堂表现 10v阅读资料的讨论v提出问

3、题，每人每学期至少提一个问题自主设计实验 视完成情况酌情记为“平时实验”成绩实验空气动力学实验空气动力学流动显示流动显示内容提要从几个有关流动的问题说起什么叫流动显示常用的流动显示方法流动显示的应用1 从几个有关流动的问题说起飞机的机翼为什么具有向上的升力？钝体的阻力为什么比流线体的阻力大？大风中的电线为什么通常在横风向而不在顺风向发生振动？为什么关于管道阻力的两个不同实验结果都正确？v泊肃叶（1840）与哈根（1839）测得阻力与速度成正比；v达西（1857）测得阻力与速度的平方成正比。为什么管道截面积变化或改变方向会增大流动阻力？2 什么叫流动显示使水或空气的流动变为肉眼可见，又称流场显示

4、或流动可视化。能直观地观察各种流动现象，是研究流体运动规律的重要手段。色线：源于一点的很多流体质点在同一瞬时的连线，又称标记线或脉线。v色线可通过流动显示方法获得。v定常流动时迹线、流线和色线互相重合，不定常流动时一般不会重合。2 什么叫流动显示一个流动显示的例子绕机翼的流动 机翼上表面的流线较密，表明流速大，压力低；下表面流线较稀疏，流速小，压力高。机翼上下表面的压力差，使机翼受到向上的合力升力的作用。3 常用的流动显示方法染色法电化学法氢泡法空气泡法烟线法光学法油膜法 3-1 染色法在水流中引入有色液体或染料来显示流动。最有名的流动显示实验雷诺实验（1883年）3-1 染色法显示模型表面附

5、近的流动图案3-2 电化学法原理v含化学指示剂的显示液，酸碱度不同时显示不同颜色。v配置显示液到临界状态，刚好呈现酸性；当显示液中插入电极通电时，水电解使流过负极附近的显示液呈现碱性而变色，形成彩色条纹。v仅适用于极低速度下流动显示。常用试剂：百里酚兰、酚酞、甲基红等。3-2 电化学法 管道 机翼 圆柱3-3 氢气泡法 利用水电解产生氢气和氧气的原理，通过氢气泡的运动来显示水流流动。 阴极铂金丝垂直于流动方向，置于上游；阳极铜板置于下游。铂丝越细，氢泡上浮越小，跟随性越好。3-3 氢气泡法不同阴极形状和电压，可产生不同的氢气泡条带。3-3 氢气泡法 氢泡条带随当地的流速发生变形，从而反映了当地

6、的速度方向和速度大小的变化。用所测得的相邻氢泡条带的位移除以氢泡脉冲发生的时间间隔，就可得到速度值的大小，从而能获得流动的定量数据。用氢泡法显示的收缩段流动的照片3-3 氢气泡法3-4 空气泡法 水流中引入适量空气小气泡为示踪介质，通过被照亮的小气泡的运动来显示水流流动。 通常只能用于定性演示。自循环流动演示仪结构原理图3-4 空气泡法圆柱桥墩扩张管收缩管弯管孔板突扩管文丘利管3-5 烟线法通过引入烟流来观察空气的流动。图313-6 小结以上方法看到的是染色液体、气泡和烟等外加材料的运动。外加材料要有良好跟随性，才能真正显示流体运动。以上方法仅适用于低速水流或气流的流动显示。4 流动显示的应用

7、在教学上，可以辅助观察流动现象，认识流动规律，理解基本概念；在科研上，发现新的流动现象，建立、改进和验证理论模型；在工程上，解决实际问题。4 流动显示的应用例1层流和湍流v层流：流体在各平行层中运动，流层间没质点掺混。v湍流：流体质点除向前的运动，还有横向的、不规则的流动，以及混乱的旋涡运动。湍流的流动阻力比层流大得多v1883年雷诺发现圆管流动阻力在下临界雷诺数前后发生很大变化，泊肃叶-哈根和达西的实验结果不同，但都是正确的，缘于对应于层流和湍流两种截然不同的流态。直线AB段为层流，流动阻力与速度成正比；BC为过渡段；直线CD段为湍流段，流动阻力与速度的1.752次方成正比。 4 流动显示的

8、应用例2附面层v实际流体绕流物体时，由于粘性作用，在物体壁面附近存在一流体薄层，从壁面上速度为零逐渐增大到外流速度，该流体薄层称为附面层，又称边界层。零攻角平板附面层的形成和发展（氢泡法） 流动方向从左向右，下图为局部放大图4 流动显示的应用例3附面层分离v附面层与绕流物体壁面脱离，称为附面层分离或流动分离，又称脱体或离体。流动分离往往发生在物体的尖角处或物体壁面逆压梯度（压力沿流动方向递增）足够大的区域。桥墩突扩管圆柱扩张管4 流动显示的应用例4 流线体与钝体v 流线体：流体绕流某一物体时，如基本上不发生附面层分离（如下图左1、2），则称该物体为流线体。流线体一般具有圆头和长的尖尾。v 钝体

9、：如发生附面层分离（如下图左37），则称非流线体，又称钝体（通常没有长的尖尾）。 钝体背风面分离区压力低于迎风面压力，由此产生比摩擦力大得多的压差阻力，造成总阻力增大。v 迎风面积相同情况下，钝体的阻力比流线体大得多。 氢泡法显示的垂直平板绕流 氢泡法显示的机翼绕流 氢泡法显示的圆柱绕流4 流动显示的应用例4低速等阻模型（流动方向从左向右） 4 流动显示的应用例5 卡门涡街与旋涡脱落诱发的振动v 流过圆柱表面的附面层周期性、交替地从两侧分离脱落，在尾流中生成交叉排列的两列涡列，称为卡门涡街。v 旋涡的交替脱落造成圆柱两侧瞬时压力分布不对称，使圆柱受到一个与旋涡脱落频率相同的交变横向力作用，若该

10、频率与圆柱体固有频率接近将诱发共振。其它钝体也会发生类似的旋涡脱落而诱发共振。圆柱尾流中的卡门涡街4 流动显示的应用例6管道流动中的局部阻力损失v管道截面积或流向变化，引起管道流动中流体的机械能损失，称为局部阻力损失。v流动显示可直观地显示产生局部阻力损失的机理，有时还能比较局部阻力损失的大小。收缩管扩张管突扩管文丘利管孔板弯管4 流动显示的应用例7 实际（粘性）流体与理想流体v 实际流体具有阻抗剪切变形的性质，即具有粘性。v 粘性影响可以忽略的流体称为理想流体。理想流体的流态可通过流谱流线显示仪来模拟。v 对同样形状的被绕流物体和同样的管截面变化，理想流体和实际流体的流态可能截然不同。理想流

11、体圆柱绕流理论结果理想流体实际流体理想流体实际流体4 流动显示的应用例8机翼的启动涡4 流动显示的应用例9子弹头部的激波4 流动显示的应用例10汽车工程中应用流动显示技术研究绕流汽车的流场，力求提高速度、减阻节能。4 流动显示的应用例11环保工程中用染色法或烟线法研究烟囱的烟气扩散规律，合理选择烟囱的位置和高度。 实验空气动力学实验空气动力学风洞风洞内容提要风洞和风洞试验的基本原理风洞试验的广泛应用风洞的类别低速风洞的结构大气边界层风洞1 风洞和风洞试验的基本原理 风洞：飞行器的摇篮，国家重要的战略资源。v 航空器、航天器，包括先进的空中武器装备，比如导弹，比如先进的隐身战斗机等等，都是需要通

12、过风洞，通过空气动力技术去设计它、试验它，所以美国政府把空气动力技术作为仅次于核技术的关键技术，并且对其他国家采取限制和封锁。 世界各发达国家几乎毫无例外的成立了国家级的空气动力试验研究基地，其中最重要的基础设施，就是风洞。v 中国空气动力研究与发展中心绵阳v 中国航天空气动力技术研究院北京v 中国航空工业空气动力研究院哈尔滨、沈阳1 风洞和风洞试验的基本原理 风洞：在专门设计的管道中产生可以控制的人造气流，进行空气动力学实验的设备。 风洞试验的基本原理v 流动的相对性：气流以一定速度吹向静止模型，与模型以同样速度在静止空气中向前运动，模型所受气动力完全相同。v 流动的相似性：模型与实物外形几

13、何相似、来流风向角相等且满足一定的相似准则，则模型流场和实物流场相似，便可把模型实验结果转换到实物上去。2 风洞试验的广泛应用风洞试验的优点v经济、利用率高；v易于控制实验参数；v测量方便、安全。风洞试验的缺点v只能满足部分相似准则，不能保证和实际流场完全相似；v洞壁、支架等对流动有干扰，实验数据要修正。风洞的功用v基础性试验v生产性试验2 风洞试验的广泛应用3 风洞的类别按实验段气流的马赫数分类v低速风洞 Ma0.4v亚音速风洞 0.4Ma0.8v跨音速风洞 0.8Ma1.4v超音速风洞 1.4Ma53 风洞的类别 在航空航天领域，低速风洞按用途分类v 二元风洞v 三元风洞v 低紊流度风洞v

14、 变密度风洞v 尾旋风洞v 阵风风洞v 自由飞风洞v 结冰风洞v 垂直-短距起落风洞3 风洞的类别3 风洞的类别3 风洞的类别4 低速风洞的结构闭口单回流式低速风洞1.安定段; 2.蜂窝器; 3 .阻尼网; 4.收缩段; 5.模型; 6.天平; 7.试验段; 8.压力平衡孔;9.扩压段;10.电动机;11.风扇;12.反扭导流片;13.整流体;14.回流段;15.拐角;16.导流片.5 大气边界层风洞在边界层试验区产生模拟大气边界层流动的气流。 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 =0.

15、22 实验数据 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 =0.22 实验数据 U/UHI 速度剖面和湍流度剖面复旦大学流体力学实验室的大气边界层风洞大气边界层风洞尖塔、格栅和粗糙元布置图复旦大学FD-4大气边界层风洞外貌复旦大学流体力学实验室的大气边界层风洞复旦大学流体力学实验室复旦大学流体力学实验室FD-4大气边界层风洞外貌大气边界层风洞外貌复旦大学流体力学实验室的大气边界层风洞复旦大学流体力学实验室复旦大学流体力学实验室FD-4大气边界层风洞内景大气边界层风洞内景复旦大学流体力学实验室的

16、大气边界层风洞复旦大学流体力学实验室的大气边界层风洞复旦大学流体力学实验室的大气边界层风洞实验空气动力学实验空气动力学压力和速度的测量压力和速度的测量内容提要压力的测量速度的测量风速管实验1.1 压力的概念压力：单位面积上所受到的垂直作用力。单位为帕斯卡（Pa），即N/m2，亦可用液柱高度表示，如mmH2O、 mmHg，1 mmH2O=9.81Pa。压力是空气动力学实验中最基本的参数之一v压力是描述流体状态及其运动的主要参数之一v压力比其它力学量更容易测量v通过测量压力可得到速度、流量等其它力学量压力的两种度量基准v表压：以大气压为度量基准；v绝对压力：以绝对真空为度量基准。1.2 静压、动压

17、和总压伯努利方程：理想、定常、不计重力、不可压流体沿流线成立静压p：流体运动时，垂直作用在与其速度方向相平行的单位面积上的作用力，即作用在流管壁上的压力。总压p0：流动受到滞止，速度降为零时所具有的压力，又称驻点压力。动压：总压和静压之差。2012pvp1.3 感压元件压力测量框图压力是接触力，必须有器件与之接触才能感受所测压力，这种器件称为感压元件。v壁面静压孔；v静压管；v总压管。不可能测得几何上“点”的压力，只能测得空间某一小区域内压力的平均值。测压装置压力感压元件传压管道1.3.1 壁面静压孔 壁面静压孔：物体表面开孔，用于测量管壁或绕流物体表面的静压。 孔径d太大改变物体形状，影响当

18、地流场；太小阻塞过大，影响压力传递。孔径通常在0.51mm之间。 孔深h不宜太小，否则会增加流线的弯曲。一般h/d在310范围内。 孔口光洁无毛刺，不倒角，孔轴和壁面垂直。1.3.2 静压管半球或半椭球头部堵塞的倒L形圆管（低速），距头部38D处开有静压孔，测量空间流场中某点的静压。1.3.3 总压管倒L形圆管，头部总压孔口轴线正对气流方向，要求对气流方向不敏感。半椭球头部的总压管的方向不敏感范围为-55。1.4 测压装置 液体式压力计v 结构简单、稳定可靠、使用方便、人工读数；v 只能用于静态压力测量。 压力传感器v 将压力转换为电量进行测量的敏感器件，能与计算机相连，由计算机自动采集数据；

19、v 除了测量静态压力外，还可以测量动态压力；v 静态标定仍需要液体式压力计。 智能型压力测量仪v 微机化的压力测量仪器，它将压力传感器、信号调节器、A/D转换器、微处理器和存储器等集于一身，具有测量、记忆、分析计算和可程控等功能；v 可通过数字接口与计算机连接。1.4.1 倾斜式微压计 由储液杯及与之相通的倾斜角度可作数档调节的玻璃管组成。大压力p1 和小压力p2分别作用于储液杯和玻璃管的酒精液面上，当倾角为时可以证明所测压力差为： k为预先设置的微压计的倾斜系数，可按量程需要加以选择，为酒精密度，F、f分别为储液杯和玻璃管的截面积，l为玻璃管上的酒精液面读数。12sin(1)sinfppkg

20、lkF其 中 图4-3b 图4-2 倾斜式微压计1.4.2 多管压力计 由储液杯和一块与之相同的放在一块平板上的多根平行排列玻璃管组成，平板倾角可调。测量各点压力与大气压之差时，将储液杯和一根测管通大气，有 由于毛细现象会造成各测管初读数不一致，需要进行修正。()siniaaippg LL1.4.3 式压力计式压力计是一个顶部装有充气阀的倒置的U形管压力计，用于测量水的压力差。测量时通过充气阀加压或放气，使两测管液面处于压力计的刻度范围，读出两测管液面高度差，就可算出所测压力差：1212()ppg hh2.1 速度的测量 速度定义为单位时间内流体质点所通过的路程，难以直接测量。 通常采用间接测

21、量方法，即测量某一容易测量的物理量，然后用该物理量与流速的已有物理规律为基础计算流速。v 测压法：如风速管；v 热线风速仪：利用对流热平衡原理来测量流速，即置于流体中的受热物体，其散热速度主要取决于流过该物体的流体速度； v LDV：利用流体中运动微粒引起的光的多普勒频移来测量流速。 直接法： PIV（Particle Image Velocimetry），直接根据速度定义测量，并可以同时得到整个速度场的分布。PIV测量装置示意图2.2 风速管结构：由总压管和静压管组成的复合套管。原理：由伯努利方程实际计算公式：20012()2pvpvpp02()1vpp为 风 速 管 校 准 系 数 ，接

22、近 于 ， 由 实 验 确 定 。3 风速管测量风速的实验 实验装置 密度的计算公式287 (273)aap（M2 fc 。v实际应用时取实际应用时取 fs=(34) fc，也有推荐，也有推荐fs=(410) fc 。采样定理采样定理1.1 模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号保持：样值脉冲展宽，采样周期内信号保持基本保持：样值脉冲展宽，采样周期内信号保持基本不变，以满足量化与编码装置的需要。经采样保不变，以满足量化与编码装置的需要。经采样保持后的信号是阶梯变化的幅值电压，信号在数值持后的信号是阶梯变化的幅值电压，信号在数值上依然可连续取值，称为对时间离散的模拟信号。上依然可连续取值，

23、称为对时间离散的模拟信号。量化与编码量化与编码(AD转换转换)：输入模拟电压：输入模拟电压 Ua用一基准用一基准电压电压Uref度量，并用二进制编码表示量化所得数字度量，并用二进制编码表示量化所得数字量输出量输出D出出。量化与编码实质上完成模拟量到数字。量化与编码实质上完成模拟量到数字量转换，量转换，AD转换函数功能表示为：转换函数功能表示为： D出出= Ua / Uref 1.1 模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号AD板根据输入电压不同，设置成单极性输入板根据输入电压不同，设置成单极性输入(非非负电压输入负电压输入)和双极性输入和双极性输入(正负电压输入正负电压输入)两种方两种方式

24、。式。v单极性输入时编码通常采用原码；单极性输入时编码通常采用原码；v双极性输入时双极性输入时l移码：最高有效位为符号位，该位为移码：最高有效位为符号位，该位为0代表负数，该代表负数，该位为位为1代表正数或零；其余各位为数码位。代表正数或零；其余各位为数码位。l补码：最高有效位为符号位，该位为补码：最高有效位为符号位，该位为0代表正数或零，代表正数或零，该位为该位为1代表负数；其余各位为数码位。代表负数；其余各位为数码位。1.1 模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号例：移码。例：移码。 PC7424 ADPC7424 AD卡置于双极性输入方式时，卡置于双极性输入方式时，1212位数字量

25、输出与输入模拟电压位数字量输出与输入模拟电压的对应关系见下表的对应关系见下表(V(VFSRFSR为满量程输入电压为满量程输入电压) )：B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0输入模拟电压输入模拟电压111111111111VFSR2047/2048100000000001VFSR1/20481000000000000011111111111-VFSR1/2048000000000000-VFSR2048/2048ADAD转换数据转换数据DATADATA的变化范围为的变化范围为0 040954095，与输入模拟电压，与输入模拟电压V V的关系为：的关系为：V = VV = VFSR

26、 FSR ( DATA ( DATA 2048 ) / 2048 2048 ) / 20481.1 模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号例：补码。例：补码。IPC5484 ADIPC5484 AD卡置于双极性输入方式时，卡置于双极性输入方式时，14位数字量输出与输入模拟电压位数字量输出与输入模拟电压的对应关系见下表：的对应关系见下表：ADAD转换数据转换数据DATADATA的变化范为的变化范为0 01638316383，与输入模拟电压，与输入模拟电压V V的关系为：的关系为： V = DATA2 / 4 / 8192 V = DATA2 / 4 / 8192 * * V VFSRFSR

27、 上式中上式中“DATA2/4DATA2/4”表示将二进制数表示将二进制数DATADATA左移两位后再除以左移两位后再除以4 4，其作用，其作用是将是将DATADATA由由1414位补码化为位补码化为1616位补码。位补码。 量程量程数码（二进制补码）数码（二进制补码）2000H3000H3800H0000H0800H1000H1FFFH2.5V-2.500-1.250-0.6250.00000.62501.25002.49975V-5.000-2.500-1.2500.00001.25002.50004.99941.2 数字信号转换为模拟信号数字信号转换为模拟信号DA转换用途转换用途v用于过

28、程控制，计算机将数字量转换为模拟量，经功用于过程控制，计算机将数字量转换为模拟量，经功率放大输入执行机构达到控制目的；率放大输入执行机构达到控制目的；v构建函数信号发生器，通过编程使构建函数信号发生器，通过编程使DA产生正弦波、三产生正弦波、三角波、方波等各种波形的电压输出信号；角波、方波等各种波形的电压输出信号；v用于用于AD转换，作为逐次逼近转换，作为逐次逼近AD转换器的一部份。转换器的一部份。1.2 数字信号转换为模拟信号数字信号转换为模拟信号 并行并行DA转换器转换器(对数字量各位代码同时进行转换对数字量各位代码同时进行转换)原理：由原理：由电子开关，标准电源和解码网络组成，输入数码位

29、数与电电子开关，标准电源和解码网络组成，输入数码位数与电子开关个数和解码网络路数相同。输入数码决定电子开关子开关个数和解码网络路数相同。输入数码决定电子开关对应位的状态是开还是关对应位的状态是开还是关(1开，开，0关关)，标准电源提供的电，标准电源提供的电流通过被开放的电子开关流入解码网络求和，在解码网络流通过被开放的电子开关流入解码网络求和，在解码网络输出端形成与输入数码大小相对应的输出模拟电压。输出端形成与输入数码大小相对应的输出模拟电压。D Dn-1n-1D Dn-2 . n-2 . D D1 1 D D0 0u u0 01.3 逐次逼近逐次逼近AD转换器转换器 以以DA转换为基础，速度

30、较快，使用转换为基础，速度较快，使用广泛。启动信号输入后，置数选择逻广泛。启动信号输入后，置数选择逻辑开始工作，系统在时钟脉冲节拍控辑开始工作，系统在时钟脉冲节拍控制下同步操作。第一个脉冲使逐次逼制下同步操作。第一个脉冲使逐次逼近寄存器最高位置近寄存器最高位置1，其余置，其余置0，经，经DA转换为模拟电压后与输入模拟量转换为模拟电压后与输入模拟量比较，置数选择逻辑根据比较结果确比较，置数选择逻辑根据比较结果确定或修改逐次逼近寄存器最高位数据定或修改逐次逼近寄存器最高位数据(大于等于输入模拟量为大于等于输入模拟量为1，否则为，否则为0)第二个脉冲使逐次逼近寄存器次高位第二个脉冲使逐次逼近寄存器次

31、高位置置1，其余低位置，其余低位置0，经，经DA转换为模转换为模拟电压后再与输入模拟量比较，以确拟电压后再与输入模拟量比较，以确定次高位数据。定次高位数据。N位位AD转换器从转换器从最高位到最低位经过最高位到最低位经过N次比较所确定次比较所确定的数据便是的数据便是AD转换结果。转换结果。 逐次逼近型逐次逼近型ADAD转换器原理图转换器原理图逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器置数选择逻辑电路置数选择逻辑电路数字量输出数字量输出参考电压参考电压DA转换器转换器比较器比较器模拟量输入模拟量输入。时钟时钟。1.4 微机微机AD通道切换的原理和作用通道切换的原理和作用 AD卡为计算机提供模拟信号输入通道。典型

32、的卡为计算机提供模拟信号输入通道。典型的AD卡由多路模拟开关、卡由多路模拟开关、采样保持器和采样保持器和AD转换器等组成。多路模拟开关切换各路输入模拟信号与转换器等组成。多路模拟开关切换各路输入模拟信号与采样保持和采样保持和AD转换器间通路，以分时占用。转换器间通路，以分时占用。AD卡的多个数据寄存器占卡的多个数据寄存器占用不同的用不同的IO地址，通过编程对相应地址进行写操作或读操作，便能进行地址，通过编程对相应地址进行写操作或读操作，便能进行通道切换、启动通道切换、启动AD转换、读转换、读AD状态以及读状态以及读AD转换数据。启动信号输入转换数据。启动信号输入后，对某路模拟信号开始进行转换，

33、转换结束使数据寄存器的后，对某路模拟信号开始进行转换，转换结束使数据寄存器的AD状态位状态位发生变化；发生变化；12位和位和14位位AD板的板的AD转换数据一般分为低转换数据一般分为低8位和其余高位，位和其余高位，分放于两个分放于两个8位数据寄存器。位数据寄存器。输入输出接口输入输出接口 微处理器微处理器采样保持器采样保持器A/DA/D转换器转换器传感器传感器放大器放大器多多路路模模拟拟开开关关传感器传感器放大器放大器传感器传感器放大器放大器1.4 常见的常见的AD卡卡 1.5 数据采集编程数据采集编程 以以IPC5484AD卡（卡（14位位32路模拟输入）为例。路模拟输入）为例。AD卡技术资

34、料卡技术资料v寄存器寄存器IO地址及对应操作功能：地址及对应操作功能：IOIO地址地址读读 操操 作作写写 操操 作作1D0H1D0H开启通道开启通道1D1H1D1H读读ADAD状态：状态：D D7 7=0=0，ADAD忙；忙；D D7 7=1=1，ADAD转换结束转换结束启动启动ADAD转换转换1D2H1D2H读读ADAD转换数据高转换数据高6 6位位1D3H1D3H读读ADAD转换数据低转换数据低8 8位位1.5 数据采集编程数据采集编程AD转换数据采集基本流程转换数据采集基本流程v开启通道，延时以等待通道切换完成；开启通道，延时以等待通道切换完成；v启动启动AD转换，延时以等待转换，延时

35、以等待AD状态信息建立状态信息建立(当延时足当延时足够长并能确认够长并能确认AD转换结束，则可跳过下一步查询转换结束，则可跳过下一步查询AD状态状态)；v查询查询AD状态，直至状态，直至AD转换结束转换结束(状态标志位为状态标志位为1)；v读读AD转换高转换高6位和低位和低8位数据，并组合成位数据，并组合成14位数据；位数据；v由由AD转换数据计算输入模拟电压。转换数据计算输入模拟电压。1.5 数据采集编程数据采集编程编程举例：编程举例：TurboC语言编写，单通道语言编写，单通道（通道通道1）输入，采用查询方式采集一个数据点，并在屏幕输入，采用查询方式采集一个数据点，并在屏幕上显示上显示AD

36、转换数据及输入的模拟电压值。转换数据及输入的模拟电压值。#include #include #include const int base=0 x01d0; /* AD卡基地址卡基地址 */1.5 数据采集编程数据采集编程void main()void main() unsigned char channel=1,choice; unsigned char channel=1,choice; int i,v1; int i,v1; clrscr(); clrscr(); outportb(base,channel); / outportb(base,channel); /* * 开启通道开启通

37、道 * */ / for(i=0;i500;i+) / for(i=0;i500;i+) /* * 延时延时 * */ / ; ; outportb(base+1,0); / outportb(base+1,0); /* * 启动启动ADAD转换转换 * */ / for (i=0;i2;i+) / for (i=0;i2;i+) /* * 延时约延时约1s1s * */ / ; ; while(inportb(base+1)128) / while(inportb(base+1)128) /* * 查询查询ADAD状态至转换结束状态至转换结束* */ / ; ; v1=(inportb(ba

38、se+2)8; / v1=(inportb(base+2)8; /* * 读读ADAD转换数据高转换数据高6 6位位 * */ / v1+=inportb(base+3); / v1+=inportb(base+3); /* * 读读ADAD转换数据低转换数据低8 8位位 * */ / printf(CH%d = %4x %-6.3fVn,channel,v1,(float)(v12)/4/8192 printf(CH%d = %4x %-6.3fVn,channel,v1,(float)(v1104时边界层厚度很薄，时边界层厚度很薄，相对于物体特征相对于物体特征长度长度L或流动距离或流动距离

39、x而言属于小量；而言属于小量；边界层近壁面处沿法线方向的速度变化很大，即边界层近壁面处沿法线方向的速度变化很大，即速度梯度很大，因而速度梯度很大，因而粘性力粘性力很大，不可忽略；很大，不可忽略；理论分析和实验表明，边界层内压力沿壁面法线理论分析和实验表明，边界层内压力沿壁面法线方向不变，即方向不变，即法向压力梯度法向压力梯度为零。为零。upyy粘性力：法向压力梯度：2.4 边界层内部的两种流态边界层内部的两种流态 层流边界层：层流边界层：Re数不太大时，保持层次分明的流动，各层之间数不太大时，保持层次分明的流动，各层之间互不掺混。互不掺混。 湍流边界层：湍流边界层：Re数逐渐增大时，保持不了层

40、次分明的流动，不数逐渐增大时，保持不了层次分明的流动，不但有向前运动，还有横向的混乱运动。但有向前运动，还有横向的混乱运动。 物体壁面附近的边界层可能全部是层流边界层，可能全部是湍物体壁面附近的边界层可能全部是层流边界层，可能全部是湍流边界层，也可能存在混合边界层，即前一段是层流边界层，流边界层，也可能存在混合边界层，即前一段是层流边界层，而后一段已转捩为湍流边界层。转捩取决于临界雷诺数，临界而后一段已转捩为湍流边界层。转捩取决于临界雷诺数，临界雷诺数与来流湍流度、物体形状以及物体表面粗糙度有关。雷诺数与来流湍流度、物体形状以及物体表面粗糙度有关。2.5 边界层分离边界层分离 边界层与绕流物边

41、界层与绕流物体壁面脱离，称体壁面脱离，称为边界层分离或为边界层分离或流动分离，又称流动分离，又称脱体或离体。流脱体或离体。流动分离往往发生动分离往往发生在物体的尖角处在物体的尖角处或物体壁面逆压或物体壁面逆压梯度（压力沿流梯度（压力沿流动方向递增）足动方向递增）足够大的区域。够大的区域。2.5 边界层分离边界层分离2.5 边界层分离边界层分离2.5 边界层分离边界层分离 分离点位置分离点位置v 与物体形状有关：具有尖角的物体的分离点通常发生在在物体尖与物体形状有关：具有尖角的物体的分离点通常发生在在物体尖角处。具有圆弧形曲面的物体，其分离点位置除与物体形状有关；角处。具有圆弧形曲面的物体，其分

42、离点位置除与物体形状有关；v 还与边界层内的流态有关：同一物体如是层流边界层分离，则分还与边界层内的流态有关：同一物体如是层流边界层分离，则分离点比较早，如在分离之前已转捩为湍流边界层，则因湍流横向离点比较早，如在分离之前已转捩为湍流边界层，则因湍流横向掺混的结果，流体质点比层流边界层具有较大的动能，克服逆压掺混的结果，流体质点比层流边界层具有较大的动能，克服逆压梯度的能力增强，推迟分离而使分离点后移。梯度的能力增强，推迟分离而使分离点后移。 压差阻力压差阻力由边界层分离而产生由边界层分离而产生v 边界层分离后物体背风面形成低压旋涡区，在迎风面和背风面之边界层分离后物体背风面形成低压旋涡区，在

43、迎风面和背风面之间形成比表面摩擦力大的多的压差阻力，造成总阻力的增加。间形成比表面摩擦力大的多的压差阻力，造成总阻力的增加。v 压差阻力与物体形状有关，又称形状阻力。压差阻力与物体形状有关，又称形状阻力。2.5 边界层分离边界层分离流线体与钝体流线体与钝体以是否出现边界层分离来区分以是否出现边界层分离来区分v流线体：流体绕流某一物体时，如基本上不发生边界流线体：流体绕流某一物体时，如基本上不发生边界层分离，则称该物体为流线体。流线体一般具有圆头层分离，则称该物体为流线体。流线体一般具有圆头和长的尖尾。和长的尖尾。v 钝体：如发生边界层分离，则称非流线体，又称钝体钝体：如发生边界层分离，则称非流

44、线体，又称钝体（通常没有长的尖尾）。（通常没有长的尖尾）。 钝体背风面分离区压力低于钝体背风面分离区压力低于迎风面压力，由此产生比摩擦力大得多的压差阻力，迎风面压力，由此产生比摩擦力大得多的压差阻力，造成总阻力增大。迎风面积相同情况下，钝体的阻力造成总阻力增大。迎风面积相同情况下，钝体的阻力比流线体大得多。比流线体大得多。2.5 边界层分离边界层分离3.1 零攻角两维平板边界层零攻角两维平板边界层边界层无分离的典型。边界层无分离的典型。v来流雷诺数较低：整个平板都是层流边界层；来流雷诺数较低：整个平板都是层流边界层；v来流雷诺数较高：整个平板都是湍流边界层；来流雷诺数较高：整个平板都是湍流边界

45、层；v来流中等雷诺数：平板前部形成层流边界层，随后转来流中等雷诺数：平板前部形成层流边界层，随后转捩为湍流边界层，转捩区虽短，但流动复杂，为实用捩为湍流边界层，转捩区虽短，但流动复杂，为实用方便简化为转捩区中点（坐标为方便简化为转捩区中点（坐标为xT）为转捩点。）为转捩点。3.2 平板边界层雷诺数平板边界层雷诺数平板边界层雷诺数：平板上坐标为平板边界层雷诺数：平板上坐标为x点的当地雷诺点的当地雷诺数，定义为数，定义为R exU xR eTcU x3.3 平板边界层速度剖面平板边界层速度剖面 层流边界层：无量纲速度分布曲线与层流边界层：无量纲速度分布曲线与距前缘距离距前缘距离x无关，具有相似解，

46、可无关，具有相似解，可用二次曲线逼近：用二次曲线逼近：22()yuyyu5671Re1.11071Re3.210101Re1011nnn，；，；，。3.4 平板边界层厚度平板边界层厚度 层流边界层层流边界层5.05.0R e5.48R e5.83R eXXXxxUxx由 布 拉 休 斯 数 值 解 ：由 速 度 分 布 二 次 曲 线 ：由 实 验 ：41/5510.370.37()7ReXxxU由 次方速度剖面：3.5 平板边界层速度剖面的测定平板边界层速度剖面的测定实验装置实验装置4 圆球绕流圆球绕流 边界层有分离的典型。边界层有分离的典型。 关于圆球绕流的两个问题关于圆球绕流的两个问题v

47、 达朗贝尔之谜：如果将实际流体当作理想流体处理，得到作用于达朗贝尔之谜：如果将实际流体当作理想流体处理，得到作用于球面的球面的压力系数压力系数Cp积分为零，阻力为零。积分为零，阻力为零。v 阻力危机现象：阻力危机现象：不太宽不太宽Re数范围内，实验测得圆球数范围内，实验测得圆球阻力系数阻力系数CD急急剧下降的现象剧下降的现象（从从0.440.48下降到下降到0.13 0.15,特别好的实验条件特别好的实验条件甚至下降到甚至下降到0.10以下）以下）。22c1212Re0.3pDDppCvDCv sC压力系数：阻力系数：临界雷诺数：对应的雷诺数4.1 圆球表面压力分布圆球表面压力分布 实验曲线实

48、验曲线3对应于亚临界阻力系数对应于亚临界阻力系数0.48，实验曲线，实验曲线2对应于超临对应于超临界阻力系数界阻力系数0.10。仅在。仅在45范围内，两条实验曲线与理想范围内，两条实验曲线与理想流体绕流圆球理论曲线一致；亚临界实验曲线流体绕流圆球理论曲线一致；亚临界实验曲线3比超临界曲线比超临界曲线2更早偏离理论曲线更早偏离理论曲线1，圆球表面压力关于，圆球表面压力关于90 平面的对称平面的对称性更差，因而阻力更大。性更差，因而阻力更大。4.2 圆球绕流的两种流态圆球绕流的两种流态 亚临界：亚临界：ReRec，CD=0.10，属于湍流边界层分离，属于湍流边界层分离，分离点后移到分离点后移到14

49、0附近。附近。 丝线法流动显示丝线法流动显示（球面（球面90处顺着流动方向贴丝线）处顺着流动方向贴丝线）v 亚临界：丝线乱翻乱飘，表明处于分离区内；亚临界：丝线乱翻乱飘，表明处于分离区内；v 超临界：丝线基本贴平在球面上，表明处于边界层内。超临界：丝线基本贴平在球面上，表明处于边界层内。4.3 风洞气流湍流度对圆球临界风洞气流湍流度对圆球临界Re数的影响数的影响湍流度大，由层流边界层向湍流边界层转捩发生湍流度大，由层流边界层向湍流边界层转捩发生早，早，Rec就较小；就较小；湍流度小，由层流边界层向湍流边界层转捩发生湍流度小，由层流边界层向湍流边界层转捩发生迟，迟，Rec就较大。就较大。几千米高

50、空自由大气中测得光滑圆球的临界雷诺几千米高空自由大气中测得光滑圆球的临界雷诺数：数： Rec大气大气=3.85105。一般风洞中测得圆球的临界雷诺数低于此值。引一般风洞中测得圆球的临界雷诺数低于此值。引进风洞的湍流因子进风洞的湍流因子T.F及有效雷诺数：及有效雷诺数：5Re3.85 10.Re= .ReReRecT FT Fcc大气有效实验洞洞4.4 用压差法测定圆球的临界雷诺数用压差法测定圆球的临界雷诺数湍流球湍流球4.4 用压差法测定圆球的临界雷诺数用压差法测定圆球的临界雷诺数实验原理实验原理v从圆球压力分布实验曲线从圆球压力分布实验曲线2 2、3 3可知，发生临界现象时可知，发生临界现象

51、时圆球表面圆球表面157.5157.5处的压力变化比较敏感，因而可用于处的压力变化比较敏感，因而可用于检测临界现象的发生（检测临界现象的发生（180180附近设置用于固定并传递附近设置用于固定并传递压力的支杆）。压力的支杆）。0157.5212pppCV4.4 用压差法测定圆球的临界雷诺数用压差法测定圆球的临界雷诺数实验原理实验原理vRe数到达临界区域时数到达临界区域时Cp Re曲线上曲线上Cp发生发生 显著下降，显著下降， Cp1.22处处Re数恰与数恰与CDRe曲线上曲线上CD0.3所对应的圆所对应的圆球临界雷诺数球临界雷诺数Rec相等。因而可以通过实验画出圆球相等。因而可以通过实验画出圆

52、球CpRe曲线，求得该曲线上曲线，求得该曲线上Cp1.22所对应的所对应的Re数，数，便是圆球的便是圆球的Rec。4.5 圆球阻力危机现象的应用圆球阻力危机现象的应用 高尔夫球高尔夫球v 光滑球和粗糙球的阻力起先都随速度的光滑球和粗糙球的阻力起先都随速度的增大而增大，到达某一临界速度时阻力增大而增大，到达某一临界速度时阻力突然下降，随后又随速度的增大而增大。突然下降，随后又随速度的增大而增大。4.5 圆球阻力危机现象的应用圆球阻力危机现象的应用排球的飘球排球的飘球v据有关研究报道，排球产生飘球的临界速度为据有关研究报道，排球产生飘球的临界速度为14.5米米/秒，这时排球处于边界层转换的临界雷诺

53、数状态；排秒，这时排球处于边界层转换的临界雷诺数状态；排球的临界球的临界Re数易受湍流度等因素影响，使得在实际比数易受湍流度等因素影响，使得在实际比赛中出现飘球的概率下降。赛中出现飘球的概率下降。实验空气动力学实验空气动力学绕流（下）绕流（下） 机翼绕流机翼绕流（参见（参见基础流体实验基础流体实验第八章）第八章）问问 题题选择题（三选一）：选择题（三选一）： 波音波音747200飞机的自重有飞机的自重有300多吨，试问其多吨，试问其发动机的最大推力为多少：发动机的最大推力为多少： A.300多吨；多吨； B.80多吨；多吨； C.400多吨。多吨。内容提要内容提要翼型的几何参数翼型的几何参数翼

54、型的低速流态和升阻力特性翼型的低速流态和升阻力特性气动力天平气动力天平机翼升阻力的测量机翼升阻力的测量机翼表面压力分布的测量机翼表面压力分布的测量1 翼型的几何参数翼型的几何参数 翼型（翼剖面）翼型（翼剖面）：用平行：用平行于飞机对称面的平面去截于飞机对称面的平面去截机翼所得剖面；机翼所得剖面； 后缘点后缘点：机翼尾部尖点；：机翼尾部尖点； 前缘点前缘点：机翼轮廓线上离：机翼轮廓线上离后缘点最远的点；后缘点最远的点； 翼弦翼弦：前缘点和后缘点间：前缘点和后缘点间的连线；的连线；1 翼型的几何参数翼型的几何参数相对厚度：相对厚度：相对弯度：相对弯度：展弦比：展弦比：NACA0012翼翼型：型：1

55、00%cbc100%ffb2llbs， 平 直 机 翼 ；， 非 平 直 机 翼 。012%fc， ，2.1 翼型的低速流态翼型的低速流态2.1 翼型的低速流态翼型的低速流态2.2 低速翼型的升阻力特性低速翼型的升阻力特性 气动力：空气与物体作相对运动时，物体所受表面摩擦力气动力：空气与物体作相对运动时，物体所受表面摩擦力和压力作用的总的合力，用于描述物体总体受力状况。和压力作用的总的合力，用于描述物体总体受力状况。 气动力分量气动力分量v 三个力：升力、三个力：升力、 阻力、侧向力；阻力、侧向力；v 三个力矩：俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。三个力矩：俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。2.2 低速

56、翼型的升阻力特性低速翼型的升阻力特性升力升力L和阻力和阻力D分别分别是机翼所受气动力的是机翼所受气动力的合力在垂直和水平运合力在垂直和水平运动方向的分力，与来动方向的分力，与来流动压头和机翼投影流动压头和机翼投影面积成正比。面积成正比。221212LDLCvSDCvS2.2 低速翼型的升阻力特性低速翼型的升阻力特性2.2 低速翼型的升阻力特性低速翼型的升阻力特性2.2 低速翼型的升阻力特性低速翼型的升阻力特性3.1 气动力天平气动力天平气动力天平：一种专用于测量作用在风洞模型上气动力天平：一种专用于测量作用在风洞模型上空气动力的测量装置。空气动力的测量装置。由于模型上气动力的方向是变化的，因此

57、，气动由于模型上气动力的方向是变化的，因此，气动力天平必须将作用于模型上的气动力按一定的直力天平必须将作用于模型上的气动力按一定的直角坐标系分解成几个分量，分别加以测量。角坐标系分解成几个分量，分别加以测量。在使用天平前，必须确定各分量的天平读数与所在使用天平前，必须确定各分量的天平读数与所测分量的关系，即得到天平校准公式。测分量的关系，即得到天平校准公式。3.2 气动力天平的分类气动力天平的分类 按测量原理分类按测量原理分类v 机械式天平：利用静力学平衡原理，装置庞大笨重，使用不便机械式天平：利用静力学平衡原理，装置庞大笨重，使用不便 ，人工读数，已较少使用；人工读数，已较少使用；v 电阻应

58、变式天平：利用应变测量原理电阻应变式天平：利用应变测量原理 ，气动力以电信号形式输出，气动力以电信号形式输出，因而能与计算机相连进行在线测量。因而能与计算机相连进行在线测量。l应变式天平中气动力和力矩的分解，主要依靠弹性元件（梁）应变式天平中气动力和力矩的分解，主要依靠弹性元件（梁）的结构形状以及电阻应变片在测量电路中的合理布置来实现。的结构形状以及电阻应变片在测量电路中的合理布置来实现。v 磁悬挂天平：利用有梯度的磁场，把磁化的模型悬挂在实验段中，磁悬挂天平：利用有梯度的磁场，把磁化的模型悬挂在实验段中，使模型在气动力、重力和磁力的作用下借助于自动控制系统保持使模型在气动力、重力和磁力的作用

59、下借助于自动控制系统保持平衡。平衡。l消除了支架对模型所受气动力的干扰，可进行大攻角的试验；消除了支架对模型所受气动力的干扰，可进行大攻角的试验；l天平校准公式：气动力和力矩与磁线圈内电流的关系。天平校准公式：气动力和力矩与磁线圈内电流的关系。3.2 气动力天平的分类气动力天平的分类按测量气动分量的多少分类按测量气动分量的多少分类v六分力天平：全部六个气动分量；六分力天平：全部六个气动分量；v三分力天平：升力、阻力、俯仰力矩；三分力天平：升力、阻力、俯仰力矩；v单分量天平：通常是测量阻力的阻力天平。单分量天平：通常是测量阻力的阻力天平。按用途分类按用途分类v静态天平：测量静态气动力；静态天平：

60、测量静态气动力；v动态天平：测量动态气动力。动态天平：测量动态气动力。按结构分类按结构分类v内部式；内部式；v外部式。外部式。3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.3 一些关于天平的图片一些关于天平的图片3.4 直立式三分力电阻应变天平结构原理直立式三分力电阻应变天平结构原理3.5 天平的静态校准天平的静态校准天平各输出分量之间无耦合天平各输出分量之间无耦合v直接得到