，上京彳無(wú)咳巔;夭大爭(zhēng)BEIHANGUNIVERSITY研究生《流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)》—油膜干涉法測(cè)量壁面摩擦應(yīng)力實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)學(xué)號(hào)DY1405107姓名 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼湍じ缮娣y(cè)量壁面摩擦應(yīng)力的基本原理、應(yīng)用方法和測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意的技術(shù)問(wèn)題。以不同攻角下平板邊界層流動(dòng)為觀(guān)測(cè)對(duì)象，學(xué)會(huì)利用油膜干涉法測(cè)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(huì)如何利用這種方法去觀(guān)測(cè)表面流動(dòng)的典型復(fù)雜現(xiàn)象，如判定邊界層轉(zhuǎn)捩位置、流動(dòng)分離和再附及分離泡等，對(duì)這種方法能夠用來(lái)解決哪些流體力學(xué)問(wèn)題有一個(gè)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(shuō)明上可以找到；0為光線(xiàn)折射角，先測(cè)量入射角q再計(jì)算得到；入為實(shí)驗(yàn)選用單色光的波長(zhǎng)；qm(t)為來(lái)流動(dòng)壓；x為實(shí)驗(yàn)干涉圖像中N級(jí)條紋的總寬度，如圖1所示；“為硅油動(dòng)力粘性系數(shù)；t為時(shí)間，吹風(fēng)時(shí)間t1到t2。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)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(kāi)口風(fēng)洞，見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)段截面呈橢圓，尺寸為1.02米X0.76米，長(zhǎng)1.45米。最大風(fēng)速40m/s,本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)采用平板模型，如圖3a所示，弦長(zhǎng)400mm，展長(zhǎng)560mm，厚20mm。頭部采用1：3半橢圓形狀。為保證流動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)軸穿將平板模型和兩端板連接起來(lái)，轉(zhuǎn)軸位于端板中心。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩端板固聯(lián)于風(fēng)洞，模型可轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)攻角變化間隔和范圍，在端板上加工一組定位銷(xiāo)孔，通過(guò)銷(xiāo)釘與模型上削釘孔分別對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)攻角變化?？勺児ソ欠秶鷄=0°?20°，間隔Aa=2°02.3.實(shí)驗(yàn)裝置和觀(guān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(shí)驗(yàn)室級(jí)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(jī)（型號(hào)HXR-MC58C）進(jìn)行拍攝和記錄干涉條紋圖像，1200萬(wàn)像素，記錄頻率像，1200萬(wàn)像素，記錄頻率25幀/秒。圖4.圖4.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備a.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥.a.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D3.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀^(guān)測(cè)系統(tǒng)四、實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩部分，定性觀(guān)測(cè)和定量測(cè)量。定性觀(guān)測(cè)：通過(guò)油膜干涉法，觀(guān)測(cè)不同攻角下平板邊界層內(nèi)的流動(dòng)，重點(diǎn)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(dòng)現(xiàn)象，如轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)分離何再附等，并判斷這些流動(dòng)變化發(fā)生位置（轉(zhuǎn)捩點(diǎn)、分離點(diǎn)及分離泡范圍等）。實(shí)驗(yàn)攻角范圍a=0°20。。根據(jù)上述定性觀(guān)測(cè)結(jié)果，選擇邊界層為層流和湍流的兩個(gè)典型狀態(tài)，定量測(cè)量對(duì)應(yīng)的壁面摩擦應(yīng)力大?。ㄓ?jì)算一個(gè)流向位置即可），給出測(cè)量結(jié)果。對(duì)于其中的層流邊界層測(cè)量結(jié)果，給出理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

六、實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，安裝模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；記錄必要實(shí)驗(yàn)參數(shù)；調(diào)整并確認(rèn)實(shí)驗(yàn)攻角，模型表面涂油膜。開(kāi)車(chē)啟動(dòng)風(fēng)洞，風(fēng)速調(diào)整到30cm/s；觀(guān)察油膜干涉圖像，圖像效果比較好時(shí)，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(cè)量壁面摩擦應(yīng)力實(shí)驗(yàn)需要全程記錄動(dòng)壓數(shù)據(jù)。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（參考提綱）1．實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)記錄實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Re=UL/u，其中U為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，L為平板長(zhǎng)度，U為空氣運(yùn)動(dòng)粘性co co系數(shù)；試驗(yàn)平板攻角a；定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)還需記錄：硅油的折射率％；硅油動(dòng)力粘性系數(shù)|J；單色光的波長(zhǎng)九；光線(xiàn)入射角折射角e（通過(guò)測(cè)量入射角q再計(jì)算得到）；實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)流動(dòng)壓qm（t）來(lái)流動(dòng)壓；干涉條紋結(jié)果中N級(jí)條紋的總寬度x；以及吹風(fēng)起始時(shí)間t1和t2等。2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析①通過(guò)油膜干涉法定性觀(guān)測(cè)結(jié)果，描述和分析平板邊界層流動(dòng)隨迎角變化的典型流動(dòng)現(xiàn)象，重點(diǎn)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(dòng)現(xiàn)象，如轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)分離何再附等，并給出這些流動(dòng)變化發(fā)生位置（轉(zhuǎn)捩點(diǎn)、分離點(diǎn)及分離泡范圍等）。②根據(jù)上述定性觀(guān)測(cè)結(jié)果，選擇邊界層為層流和湍流的兩個(gè)典型狀態(tài)，定量測(cè)量對(duì)應(yīng)的壁面摩擦應(yīng)力大小，給出測(cè)量結(jié)果。對(duì)于測(cè)量邊界層測(cè)量結(jié)果（a=0°），計(jì)算理論結(jié)果進(jìn)行比較分析。要求：報(bào)告中關(guān)于定性和定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果都必需附有必要的實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)果。思考并回答問(wèn)題通過(guò)自己實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)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(cè)量可靠性。如何利用油膜干涉法觀(guān)測(cè)邊界層轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)分離和再附？如果測(cè)量有曲率的模型表面，如機(jī)翼表面的剪切應(yīng)力，會(huì)有什么問(wèn)題？如何消除曲率影響？本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為新開(kāi)發(fā)內(nèi)容，你認(rèn)為開(kāi)設(shè)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有無(wú)必要？對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的組織和安排有哪些意見(jiàn)和建議？通過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)自己有哪些收獲？參考文獻(xiàn)：韓政，油膜干涉法測(cè)量壁面摩擦應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)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(cè)量表面摩擦應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)碩士論文，2012.Nau