圓柱繞流、激波形成與干擾、水下航行體運(yùn)

動特性實驗

《實驗指導(dǎo)書》哈爾濱工業(yè)大學(xué)

推進(jìn)理論與技術(shù)研究所2012年12月一、實驗?zāi)康?、 了解、熟悉測量圓柱體表面壓強(qiáng)的方法；2、 了解應(yīng)用自動測試、數(shù)據(jù)采集及攝像系統(tǒng)獲得航行體運(yùn)動過程參數(shù)的方法；3、 學(xué)會應(yīng)用CFD方法計算、分析激波的形成與干擾等流動問題；4、 學(xué)會利用測得數(shù)據(jù)繪制壓強(qiáng)、速度分布曲線，并計算相關(guān)系數(shù)的方法。二、實驗裝置1、 小型水洞、計算機(jī)及小型水槽；2、 壓力測試儀器、數(shù)據(jù)采集及攝像系統(tǒng)。三、實驗原理1、圓柱繞流實驗圖1理想流體繞圓柱流動（1）如圖1所示，速度已知（V/、均勻、穩(wěn)定的流體進(jìn)入實驗段后，在實驗段的中心附近正對來流方向設(shè)置壓力探針，測得的壓強(qiáng)即為來流總壓p0,在實驗段的壁面處開設(shè)測壓孔，測得的壓強(qiáng)即為來流靜壓p。實驗段中部安裝半徑為R的圓柱體，均勻流體遇到圓柱體并繞流流過，流動變得復(fù)雜，其表面不同位置處的壓強(qiáng)不同。為了測量圓柱體表面的壓強(qiáng)分布，在圓柱體上開設(shè)一個測壓孔，并將其與壓力測量系統(tǒng)連通，則可感知壓強(qiáng)p.大小。實驗中按要求轉(zhuǎn)動圓柱體至不同角度a，測壓孔感知的就是圓柱體表面不同位置處的壓強(qiáng)，這樣就可以將圓柱體整個表面上的壓強(qiáng)分布測出。

圖1理想流體繞圓柱流動（2）氣體動力學(xué)中，繞流阻力即流體繞物體流動時而作用在物體上的阻力，它是由摩擦阻力Df、壓差阻力D構(gòu)成。由于流體低速運(yùn)動時的Df遠(yuǎn)小于D，上式右端中的各參數(shù)也均是測量得到的。通常取N=37,A9=（9-。）=50。?1f.1fp=p+2pV2=p+2?1f.1fp=p+2pV2=p+2pV2于是，圓柱體表面不同位置處的壓強(qiáng)系數(shù)為Cp.可表示為p—pp—pf— ； — ； —<?co—i copi1pV2p0-Pg2上式右端中的各參數(shù)均是測量得到的。圓柱體受到的阻力fd及阻力系數(shù)CD可表示為F=f（p-p）cos0Rd0

D

0co】1pV2R2=22^D-C cos0I2p(i+1)i=100f(p-p)cos0Rd0=2fCcos0d00co-pV2R2i+1+、?)cos0-屈i+1-q)i+1i1517D1mgB1Q2B.45圈珈JOttO13?0S92M3flT1糜獎300圖2激波形成虛擬實驗2、激波形成與干擾虛擬實驗1517D1mgB1Q2B.45圈珈JOttO13?0S92M3flT1糜獎300圖2激波形成虛擬實驗（1） 如圖2所示，激波的形成與干擾是超音速流動中的常見物理現(xiàn)象，也是研究分析超聲速流動的重要物理概念。限于現(xiàn)有實驗條件所限，無法進(jìn)行真實的有關(guān)激波方面的實驗。（2） 隨著計算流體力學(xué)及計算機(jī)水平的發(fā)展，應(yīng)用先進(jìn)的CFD軟件，可以在計算機(jī)上實現(xiàn)對特定條件下的激波形成過程的模擬，其精度也是可以信賴的。其基本過程是：基于某種數(shù)值方法改寫或簡化氣體動力學(xué)控制方程組及其定解條件；做離散化處理后編寫計算程序并計算；獲得數(shù)值計算結(jié)果，并與實驗或其它精確結(jié)果對比以驗證其精度。（3）CFD數(shù)值仿真或虛擬實驗可以獲得某些無法進(jìn)行真實實驗的數(shù)值解，而且比較易于實現(xiàn)，但對于復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的氣體動力學(xué)問題有時是無能為力的。3、水下航行體運(yùn)動特性實驗圖3水下航行體運(yùn)動特性實驗（1） 如圖3所示，在靜止的小型水槽內(nèi)，航行體或者被壓縮空氣從發(fā)射筒內(nèi)彈射出筒、水中運(yùn)動、出水；或者被牽引機(jī)構(gòu)帶動勻速出水。在航行體的頭部、側(cè)面安裝有壓力傳感器，與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共同組成測控系統(tǒng)，獲得航行體不同特征位置處的壓強(qiáng)。圖3水下航行體運(yùn)動特性實驗（2） 水槽側(cè)面開設(shè)有機(jī)玻璃觀察窗口，可以通過高速圖像采集系統(tǒng)拍攝航行體出筒、水下運(yùn)動及出水等過程的圖像，再利用圖像識別方法獲得航行體運(yùn)動過程中的速度特性。三、實驗步驟1、圓柱繞流實驗（1） 實驗前由實驗指導(dǎo)教師調(diào)試實驗裝置及測試系統(tǒng)；（2） 實驗時首先記錄空氣溫度及大氣壓力等有關(guān)數(shù)值；（3） 按照要求安裝實驗用圓柱體，連接實驗段總壓、靜壓測管及圓柱體靜壓測管，確定圓柱體初始安裝角度（圓柱體靜壓測孔正對來流方向時的q為零度）；（4） 接通各種電源；（5） 起動驅(qū)動系統(tǒng)，使流體通過實驗段，并記錄穩(wěn)定狀態(tài)后的來流總壓及靜壓；（6） 按照要求，每隔一定角度旋轉(zhuǎn)圓柱體，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄圓柱體位于不同角度時的圓柱體壁面靜壓；（7） 實驗過程中不得對來流進(jìn)行干擾；（8） 實驗完畢后關(guān)閉各種電源。2、 激波形成與干擾虛擬實驗（1） 實驗前由實驗指導(dǎo)教師調(diào)試計算機(jī)系統(tǒng)，并對軟件進(jìn)行測試；（2） 實驗時按照要求打開計算機(jī)，進(jìn)入軟件系統(tǒng)；（3） 按照指導(dǎo)教師要求，依次執(zhí)行軟件系統(tǒng)的不同界面，完成相應(yīng)的虛擬仿真，并紀(jì)錄仿真結(jié)果；（4） 實驗完畢后退出軟件，并關(guān)閉計算機(jī)。3、 水下航行體運(yùn)動特性實驗（1） 實驗前由實驗指導(dǎo)教師調(diào)試實驗裝置及測試系統(tǒng)；（2） 實驗時首先記錄空氣溫度及大氣壓力等有關(guān)數(shù)值；（3） 按照要求安裝實驗用航行體，并將壓力傳感器與測控系統(tǒng)連接；（4） 接通各種電源，攝像機(jī)處于工作狀態(tài)；（5） 起動驅(qū)動系統(tǒng)，航行體運(yùn)動；（6） 將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及攝像系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)拷貝出來，用于數(shù)據(jù)處理；（7） 實驗完畢后關(guān)閉各種電源。四、實驗結(jié)果及處理1、 圓柱繞流實驗根據(jù)實驗測得的來流總壓p0、靜壓p，以及圓柱體位于不同角度0.時的表面壓強(qiáng)p.，再根據(jù)前面給出的公式計算