[发明专利]一种测量平板湍流摩擦阻力的实验装置和方法

说明书

本发明提供一种测量平板湍流摩擦阻力的实验装置和方法，属于空气动力学测试技术领域。该实验装置包括集烟室、空气通道、测试平板、速度采集器、导轨、滑块、步进电机。空气通道由气体收集段、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，集烟室将空气通道的气体收集段与出口段连通，形成一套完整的空气循环系统，测试平板固定于实验段中央，导轨设置于测试平板下方的实验段壁面，导轨沿平行于空气流向设置，速度采集器的激光探头固定于导轨滑块上。本发明结构简单，操作简便，直接测量平板不同流向位置的平均速度剖面，通过拟合求得摩擦速度，计算平板湍流边界层的壁面摩擦应力和局部阻力系数。

技术领域

本发明涉及一种测量平板湍流摩擦阻力的实验装置和方法，用于5～30m/s流速下平板壁面湍流边界层摩擦阻力的测量，属于空气动力学测试技术领域。

背景技术

航空器在大气中飞行，主要能耗用来克服飞行阻力，与航空器相关的阻力问题，须考虑两个方面：航空应用的大部分流动都是高雷诺数，流动表现出湍流流动特性；航空器表面摩擦阻力是总阻力的主要组成部分，要降低总阻力必须通过减小摩擦阻力实现。因此，进行航空器部件的阻力分析，对于节约能源、提高工作效能具有重要的意义。由于摩擦阻力占总阻力的绝大部分，平板作为最基础的航空器部件模型，通过搭建一个能够快速、准确进行平板湍流摩擦阻力测量和分析的实验装置，是进行阻力分析的关键。

目前，现有技术中对于平板流动阻力测量的实验装置和方法，通常采用传统的循环水槽或拖曳水池装置，如申请号为：200510132080.7，名称为“一种基于开式循环的平板壁面流体摩擦阻力测量装置”和CN 105387993 A，名称为“一种平板表面流体阻力性能测试装置”以及CN 104634538 A，名称为“一种测量平板流动阻力的实验装置”；传统的循环水槽或拖曳水池实验装置，都存在结构复杂、占地面积大、实验段流场难以精确控制、平板湍流边界层内部速度分布难以精确捕捉等问题，而对于在空气环境中的平板湍流边界层的摩擦阻力测量，还未有相关技术提及。因此设计一个结构简单、容易拆卸、能够测量平板湍流边界层内速度剖面分布的实验装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种空气环境下的测量平板湍流摩擦阻力的实验装置和方法，本发明的目的是这样实现的：

本发明测量平板湍流摩擦阻力的实验装置，包括集烟室、空气通道、测试平板、速度采集器、导轨、滑块、步进电机；

所述空气通道由气体收集段、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，空气从气体收集段向出口段流动；所述集烟室设置在所述空气通道的空气流动方向的上流前端以及下游端部之间，将空气通道的气体收集段和出口段连通，集烟室内设置有烟雾发生器及烟雾扩散风扇；在气体收集段内设置消声网，稳定段内设置有整流网，消声网和整流网均与空气流动方向垂直；在实验段内先后设置有压力传感器和测试平板，在动力段内部设置有变频电机、动力叶片及整流静叶片；

所述测试平板包括支撑架、透明平板、压力梯度调节板、电推杆、辅助支架、粗糙带、转捩拌线；透明平板置于支撑架上且水平固定在所述的空气通道实验段中央；辅助支架前缘与支撑架后缘铰接，辅助支架后缘与支撑架通过电推杆连接，压力梯度调节板固定于辅助支架上，粗糙带和转捩拌线依次布置于透明平板前缘；

所述的导轨固定在测试平板下方的实验段壁面上，导轨与空气流动方向平行；滑块安装于导轨上，速度采集器的激光探头固定于滑块端部且朝向透明平板，步进电机通过皮带驱动滑块在导轨上移动，步进电机通过信号线与实验段外的步进电机控制箱连接；激光探头通过信号线与实验段外的速度数据采集盒及计算机连接。