风洞试验的观察方法
风洞中流态观察方法大致为分两类:第一类是示踪方法;第二类是光学方法。
示踪方法 在流场中添加物质,如有色液体、烟、丝线和固体粒子等,通过照相或肉眼观察添加物随流体运动的图形。只要添加物足够小,而且比重和流动介质接近,显示出来的添加物运动的图形就表示出气流的运动。这是一种间接显示法,特别适合于显示定常流动。常用的有丝线法、烟流法、油流法、升华法、蒸汽屏法和液晶显示法等六种:
①丝线法 将丝线、羊毛等纤维粘贴在要观察的模型表面或模型后的网格上,由丝线的运动(丝线转动、抖动或倒转) 可以判明气流的方向和分离区的位置以及空间涡的位置、转向等。图6为一个模型实验时机翼的丝线显示气体流动图。现在又发展到用比丝线更细的尼龙丝,有时细到连肉眼都看不清。将尼龙丝用荧光染料处理后再粘在模型上。这种丝线在紫外线照射下显示出来,并且可以拍摄下来。粘丝很细,对模型没有影响,可同时进行测力实验。此法称为荧光丝线法。
②烟流法 用风洞中特制烟管或模型上放出的烟流显示气体绕模型的流动图形。这是一种很好的观测方法。世界各国建设了不少烟风洞。通常是在风洞外把不易点燃的矿物油用金属丝通电加热而产生的烟引入风洞;也有将涂有油的不锈钢或钨丝放在模型前,实验时通电将钨丝加热,产生细密的烟雾。为了保证烟束清晰不散,必须采用大收缩比的收缩段、稳定段或风洞入口加装抗湍流网和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施,保持烟流为层流状态。烟流法除用于观察绕模型的流动,还可用来测量边界层过渡点位置和研究涡流结构。图7为模型烟流实验中拍摄的照片。
③油流法 在粘性的油中掺进适量指示剂(如炭黑)并滴入油酸,配制成糊状液态物,均匀地涂在模型表面。实验时通过指示剂颗粒沿流向形成的纹理结构,显示出模型表面的流动图形。如果油中加入少量荧光染料,则在紫外线照射下可以显现出荧光条纹图,称为荧光油流图。它可以显示模型表面气流流动方向、边界层过渡点位置、气流分离区、激波与边界层相互干扰等流动现象。图8为模型油流实验照片。
④升华法 将挥发性的液体或容易升华的固体喷涂在模型表面,依据涂料从模型上散失的速度与边界层状态有关的原理(在湍流边界层内由于气流的不规则运动导致该处蒸发量或升华量大于层流处)来区分边界层状态,确定过渡点的位置。
⑤蒸汽屏法 在风洞中形成过饱和的蒸汽,在需要观察的截面,垂直气流方向射入一道平行光,气流经过光面时,由于离心力的作用,旋涡内外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能显示出涡核的位置。此法多用来观察大攻角脱体涡的位置。
⑥液晶显示法 利用液晶颜色随温度而改变的特性来识别层流、湍流边界层和激波。液晶是一种油状有机物,温度较低时,无色透明,随着温度上升,便以红、黄、绿、蓝、无色的顺序改变,能鉴别有微小温差的层流和湍流边界层流动以及激波前后的温差。它适用于高速和超声速流态观察。液晶的涂法与漆类似,先稀释,再喷涂。液晶对污物杂质敏感,喷涂时,模型表面必须干净。
光学方法 根据光束在气体中的折射率随气流密度不同而改变的原理制造出来的光学仪器,如阴影仪、纹影仪、干涉仪(见风洞测试仪器)和全息照相装置等,都可用来观察气体流动图形。这种方法不在流场中添加其他物质,不会干扰气体流动,而且可以在短时间内采集大量的空间数据。它是一种直接显示方法,特别适合于观察可压缩流动和非定常流动,如激波、尾流和边界层过渡等。
除了以上两大类方法外,还有一种向流场中注入能量的方法。如在低密度风洞中向气流发射电子束,使气体分子激发出荧光,荧光的光通量与气流密度大小有关。根据光通量的变化,就可以显示出气流密度的变化,这种方法可以显示高超声速稀薄气体流动的激波位置和形状以及用于定量测量流场密度。
70年代后期,发展出一种彩色照相图示流态观察技术。它用总压探管在所测流场区域扫描,并将感受的压力转换成电压值。根据不同的电压触发不同颜色的光,在照相机上曝光。通过多种颜色信号光记录的流场等压线图,可以清晰地看到涡旋分布和飞机模型后的涡流图像。这项技术最近发展成为直接把传感器感受的压力信号记录在磁带上,并输入计算机处理。传感器探头可以用压力探头也可以用热丝或热膜或其他探头。处理后的数据可由彩色电视显示。因为不用照相装置,而代之以计算机,这就带来了很大的方便:可以一次处理很多数据(可以是一个也可以是好几个探头感受的数据);显示的颜色可多达4 096种(但由于人眼分辨率的限制,常用的也只有20~30种);对于特别有兴趣的区域可以放大和增加颜色详细显示;此外,还可以根据需要,旋转显示的数据平面,以得到从不同角度观察的流场彩色显示图像。例如,可以在垂直风洞轴线的平面观察,也可以在平行风洞轴线的平面或其他任意平面观察。高分辨率的彩色电视屏幕可以用颜色和箭头表示流动方向。