[实用新型]流体边界层阻力测试天平

说明书

技术领域

本实用新型属于一种测试仪器，特别是一种用于水洞流体参数测试的流体边界层阻力测试天平。 

背景技术

流体的粘性是流体的一种基本属性。粘性流体的流动具有两个基本特征(景思睿，张鸣远.流体力学.第一版.西安交通大学出版社.2001：210～211)：一是在固体壁面上，由于分子引力的作用，流体始终要粘附于固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移(粘附)条件，二是当流体之间发生相对运动(或角变形)时，流体之间存在剪切力。由于流体粘性的存在，使得流动的流体在一定范围内作相对运动，内部流层间出现成对的切向力，称为内摩擦力。牛顿在《自然哲学的属性原理》中论述了流体的粘性(罗惕乾.流体力学.第一版.机械工业出版社.1999：180～183)，提出了“流动内部的剪切应力与垂直于流体运动方向的速度梯度成正比”，剪切应力也就是流体的摩擦阻力。流体壁面附近的薄层内存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略，这一薄层称为边界层。流体边界层摩擦阻力是研究流体流动中各种现象及其流动特性的重要参数。 

目前国内外流体边界层摩擦阻力测试方法有以下几种： 

1)测压法工作原理是测试出附面层内层的压强，然后计算壁面应力(戴昌晖.流体流动测试.第一版.航空工业出版社.1992：13～16)。适合在附面层内测压的探头有Stanton管、Preston管、底层隔板法等。测压法的缺点是破坏了被测壁面的流体流动，对流场形成了一个扰动。 

Stanton管是在与壁面垂直的小孔上方覆盖极薄的金属片，以形成顺流或逆流的通道，利用测试近壁处流体动压完成剪切力测试的(王子延，庞宣明，邱平.Stanton-Tube在测试流体壁面剪切力中的几个问题.西安交通大学学报.1995(29)：79～83)。测试方法是通过边界层的速度分布对某种设置在固体壁面上的装置所产生的压力变化效应来测试剪切力。使用同样测力原理的装置还有K型管、穴型管及微孔表面差压管等(Frei D，Thomann H.Direct measurements of skin friction in a turbulent boundary layer with a strong adverse pressure gradient[J].J Fluid Mech，1980，101(1)：79～95)。 

Preston管是紧贴壁面Pitot管。Preston在发表的采用壁面Pitot管测试摩擦应力的论文中首次提出(程忠宇，吴学忠，李圣怡.基于MEMS的流动主动控制技术及其研究进展.力学进展.2005(35)：577～582)。紊流附面层内层有层流底层和对数律层组成，其中对数律层的速度分布符合对数规律，Preston管的测试依据就是壁面(对数)律的成立。Preston管的直径要小，可伸入附面层内测试总压，其有效管心必须保持在对数律层范围内(王子延，庞宣明，邱平.几种流体壁面剪切力测压管的性能研究.气动实验与测试控制.1995(9)：69～74)。 

底层隔板是使用底层隔板上前后两个静压孔的压力差来计算壁面摩擦力的方法(戴昌晖，刘天舒，滕永光，明晓.湍流附面层壁面摩擦应力的测试方法.航空学报.1988(9)：203～210)。该法较精确，对流体流动干扰小，但结构复杂，制造困难，使用起来较不方便。 

2)热线热膜法工作原理是利用热膜上的热量损失与流体流动之间的关系，用一个敏感的电阻元件，被加热后并控制在一个较高的温度上使其保持温度恒定值。流体流过被加热的敏感元件时产生冷却效应，通过测试在敏感元件中消散的电能的总量而推算出流体壁面摩擦应力。该方法的优点是动态特性好，反应快，适用于非定常量测试。缺点是间接测试，需复杂的推算换算成阻力，同时也对流场形成了扰动(Junguo Pang，Kwing-So Choi，Angelica Aessopos.Control of Near-wall Turbulence for Drag Reduction by Spanwise Oscillating Lorentz Force，2nd AIAA Flow Control Conference.2004.7)。