实验空气动力学

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1、空气动力学实验技术I目录目录I绪 论 .10.1 实验流体力学的研究内容与方法 10.2 本课程的主要内容 2第一章 风洞实验内容简介 .41.1 风洞实验分类 41.2 各种风洞实验的介绍 41.3 风洞实验一些基本要求 9第二章 相似理论 .112.1 相似和相似定理 112.2 量纲分析 152.3 相似理论的应用 23思考题和习题 .32第三章 风洞 .343.1 风洞的类别 343.2 低速风洞 353.3 超音速风洞 453.4 跨音速风洞 543.5 高超音速风洞和超高速风洞 58思考题和习题 .61第 4 章 气动力天平 .634.1 机械式天平 634. 2 应变式天平 .6

2、94.3 气动力天平的校准 814.4 气动方天平的性能术语 854.5 磁悬挂天平 864.6 坐标轴系及其转换 88思考题和习题 .90第五章 气流参数测量 .925.1 静压和总压测量 925.2 温度测量 1015.3 气流速度、方向和紊流度测量 1085.4 噪声测量 1235.5 数据采集系统简介 125思考题和习题 .128第 6 章 风洞模型实验 .1296.1 实验大纲的制定 1296.2 模型设计 1316.3 全机模型测力实验 1416.4 小压强分布实验 1516.5 动量法实验 1546.6 地面效应实验 1576.7 模型实验中的人工转捩 1586.8 半模型实验

3、1596.9 铰链力矩实验 160思考题和习题 .161第 7 章 流动显示 .162附录 .163附录 空气动力学家生平 .163附录 空气动力学中常用的有量纲物理量的 SI 单位和量纲167附录 标准大气数据数据和常用的关系式 .168附录 IV 水的密度和粘度169附录 单位的换算系数 .169附录 风洞流场品质参考指标 .174绪 论0.1 实验流体力学的研究内容与方法实验流体力学对于空气动力学的发展和各种飞行器的研制，起着决定性的作用。这主要表现在以下三个方面：1空气动力学的发展史表明，没有实验研究，就没有独立的空气动力学专门学科。空气动力学基本现象和基本原理，如附面层的存在及其特性

4、，都是通过实验逐步认识与发展的。2跟其他自然科学学科一样，空气动力学理论分析和计算模拟，难免要引入一些与真实现象有区别的简化和假设，其结果都应经受实验的检验或验证。3实验流体力学，为包括飞机、火箭在内的各种飞行器的研制提供可靠的空气动力数据。图 0-1 生活中的各类风洞实验在空气动力学实验中，一般采用模拟方法，即用模型实验来模拟原型的真实物理现象。按照模型与空气之间产生相对运动的方式不同，其基本方法主要分为三大类：1风洞实验法 安装在风洞中的试验模型沿飞行方向静止不动，而使空气流过模型。风洞实验法的优点是测量方便，气流参数如速度、压强等易于控制，实验费用相对低；缺点是模型流场受风洞壁面和模型支

5、架等的干扰，一般不能做到模型流场与原型流场完全相似。2飞行试验法 飞行器或飞行器模型在大气中真实飞行条件下进行的试验。与风洞实验法相比，飞行试验法的优点是不存在洞壁和模型支架等的干扰；缺点是试验费用高，试验条件不易控制，且测量方法复杂。3携带实验法 将模型固定在以一定速度在大气中运动的携带设备上，使模型与空气之间产生相对运动，携带设备上装有测量仪器，可测出模型的空气动力等数据。用飞机或火箭携带模型进行实验，流场比较均匀，但实验费用高，对测量方法和测量仪器的要求也高。上述三大类方法中，风洞实验法是进行空气动力学实验最经济、效果最好、应用最广泛的方法，是本书讨论的主要内容。在风洞中进行的空气动力学

6、实验，又大体上可分为流动测量和流动显示这两类既有联系又相互区别的实验方法。图 0.2 模型气动力测量图 0.3 翼型表面压力分布测量(表面压力)以确定被测量量值为主要目的实验，属流动测量类实验。测量类实验可为科学研究和飞机设计提供定量的依据。测量作用在整个模型或其部件上的空气动力，可用来研究飞机及其部件的性能，验证理论计算的结果。测量模型表面上的压强分布，可得到飞机及其部件强度计算所需的载荷数据，可用积分法算出由压差形成的忽略了切向力的空气动力，还可用来研究绕流状态。测量气流的流速、密度等参数，更是各种实验中不可少的测量项目。图 0.4 风洞实验中的模型外流场分布测量用外加物质、注入能量或投射

7、光束的方法显示出空气绕流模型的整个图形，属于流动显示类实验。由流动显示所获得的图形有助于全面了解流场，有助于直观地理解流动机理，有功于分析测力和测压的定量测量结果，有助于合理地选择飞机的空气动力外形。由于激光技术和图像处理技术的迅速发展，流动显示技术近年来有很大发展，已开始进入可快速地给出整个流场的流动参数的阶段，将流动参数测量与流动显示逐渐同步结合起来。0.2 本课程的主要内容空气动力学实验技术3全书分为基础篇 、 进阶篇两大部分，重点对空气动力学实验的基本原理、基本方法、实验设备以及实验数据修正与处理等综合技术性内容进行编写，其中：基础篇在旧版空气动力学实验技术基础上，融入学科最新研究与发

8、展的成果，涵盖空气动力学实验的基础相似理论、风洞结构类别、常规空气动力学试验技术、流动显示技术、典型风洞模型试验等内容，可供初级学习者了解空气动力学实验的基本原理和方法，并根据不同实验目的制定实验规划，选择相应的试验技术与测试设备；进阶篇重点对现代流体流动测量技术和风洞模型实验数据分析进行讲解。现代流体流动测量技术可以对测试流场中的压力和涡量等参数分布进行瞬态或时均测量，主要包括多孔压力探针测试技术、热线测量技术、激光测量技术等，风洞模型实验数据部分主要讲解数据采集随机信号分析、风洞模型实验的数据修正等内容；该篇内容涵盖对流场细致定量测量的相关技术介绍，可供学习者在上篇基础上做拔高学习之用；全

9、书最后，针对“飞行器设计与工程” 、 “流体力学”等专业学科教学，安排了三个空气动力学实验技术的相关课程设计，包括低速/高速模型设计、气动力天平设计和低速风洞设计。本书采用以国际单位制(SI)为基础的法定计量单位。本书中常用的有量纲物理量的符号、单位和量纲，见附录 I。第一章 风洞实验内容简介1.1 风洞实验分类风洞实验法是空气动力学实验研究的重要手段，它是利用相对运动的原理将模型安装在风洞中，使空气流过模型进行实验研究。风洞实验通常分为航空类实验和风工程类实验。航空类实验指与飞行器及相关问题有关的风洞实验；风工程类实验通常是与大气环境有关的风洞实验。常 规 实 验 风 洞 实 验 航 空 工

10、 程 类 风 工 程 类 二元翼型实验 三维机翼实验 全机实验 地面效应实验 飞机大迎角实验 进气道实验 风力发电机叶片实验 建筑物实验 汽车实验 高速列车实验 环境模拟实验 尾旋实验 半模实验 投放实验 动导数实验 喷流实验 襟翼实验 铰链力矩实验 特 种 实 验 图 1.1 风洞实验分类框图1.2 各种风洞实验的介绍1.2.11.2.1 二元翼型实验二元翼型实验翼型的气动特性是研究机翼以及全机气动特性的基础。几乎所有的翼型气动系数以及分离、转捩等特性都是经风洞实验得出的。翼型风洞实验也相当重要的一个内容，通常主要研究翼型的升力、阻力、力矩、分离、转捩、激波位置以及临空气动力学实验技术5界马

11、赫数等气动特性。图 1.2 风洞中二元翼型实验翼型实验测量方法： 翼型实验中通常不用做天平测力的方法，其测量精度差。升力的测量方法，通常采用测量翼型表面压力分布(参见)，通过积分计算得到翼型升力及升系数。 阻力的测量方法，通常采用经典的动量法测型阻(参见)，对模型前后两个截面的压力进行积分计算得到翼型阻力系数。 1.2.21.2.2 三元机翼实验三元机翼实验人们做过的第一批风洞试验就是关于机翼特性的实验，而且到现在机翼实验是风洞中做过的最多的实验。人们对机翼特性的了解，如展弦比、平面形状、扭转、剖面、根梢比和翼尖等，大都是从风洞试验开始的。机翼实验通常最关心的气动参数：o P xG xP bA

12、 v cy mz 压力中心 有限翼展机翼的升力线斜率：cy图 1.3 求压力中心的示意图最大升力系数：cymax最小阻力系数：cDmin最大升力系数：cymax最小阻力系数：cDmin机翼气动中心(焦点)：xF机翼升力作用点(压心)：xP1.2.31.2.3 全机实验全机实验全机模型实验目的是测量作用在全机模型上的空气动力，为确定飞机空气动力特性提供原始数据。在飞机总体设计中，无论是选型、定型还是改型阶段，都要进行各种测力实验。cxmin 0.10 4 8 12 20 16 cx cx0 0 cy cymax 1.2 0.8 0.4 0 4 8 12 20 lj 大展弦比 大展弦比 全机模型测

13、力实验是风洞中最基本最常见的， 图 1.4 cx=()曲线也是比较困难实验，因为所考虑的变量比其它实验要多很多。全机实验通常所测量的一些数据有：1)、升力特性；2)、阻力特性 3)、俯仰力矩特性4)、操纵面的空气动力特性：升降舵、方向舵、副翼效率；5)、横侧气动特性6)、平尾区下洗角图 1.5 风洞中全机模型实验7)、襟翼的气动特性1.2.41.2.4 半模实验半模实验飞机通常都有一个纵向对称面，有时候就可以利用相对于对称面两侧流动对称的原理，通过半模来研究全模型的某些气动特性。相比全机模型实验，半模实验的主要优点：1)、对相同的实验段截面，半模型尺寸可以增大，因而可以提高实验雷诺数，也便于模

14、拟几何外形；2)、由于半模型实验时模型靠近侧壁，故测力天平可放置在侧壁外，使天平设计和加工比空气动力学实验技术7较容易，天平工作时受气流温度的影响也比较小。3)、由于半模型和风洞侧壁的接触而大，有利于管道系统等从模型内引出。因此，喷流实验和测压实验等大都用半模型进行。半模实验进行方式与全机模型实验基本相同。1.2.51.2.5 地面效应实验地面效应实验飞机在起飞着陆过程中，当它距地面半个翼展或更近时，必将受到地面的影响。理论和实践均证实，地面的影响使飞机的升力线斜率、最大升力系数和纵向静稳定度增加，而最小阻力系数、诱导阻力和下洗角减小。这些空气动力特性的变化，都涉及飞机的安全，需要进行实验。在

15、风洞中模拟地面影响的实验叫地面效应实验。地面效应实验最常用最简单的方法是用平行于气流的近似水平的平板来模拟地面，不过地板在风洞中会产生附面层，这与实际情况不符，所以还应想办法应尽量消除地板附面层的影响。1.2.61.2.6 飞机大迎角实验飞机大迎角实验大迎角飞行是现代高性能战斗机为追求高机动性和高敏捷性而必备的一种能力。但飞行器在较大迎角飞行时会带来很多问题，诸如方向舵效率降低、机体产生很大的横向力等，因此在进行飞机设计时必须考虑这些问题。现在，飞行器低速大迎角风洞试验已是飞行器研制中必须进行的试验研究项目。飞行器低速大迎角风洞试验通常采用尾撑方式进行支撑，而且尾撑会带有一定的预弯角度，比如

16、20、75，使模型迎角可达-30105。1.2.71.2.7 进气道实验进气道实验进气道就是喷气发动机所需空气的进口和通道。先进的发动机必须配有性能优越的进气道才可能组成高性能的动力装置，以产生大的推力。进气道不仅供给发动机一定流量的空气，而且进气流场要保证压气机和燃烧室正常工作。进气道实验的目的在于测量进气道的静态和动态特性，以研究进气道与发动机的匹配。进气道种类：亚音速进气道和超音进气道。图 1.6 亚音进气道：钝圆形唇口图 1.7 超音进气道：尖锐唇口进气道几个关键性能参数：1)、流量系数，01AAa)自由流管面积与进气道进口面积之比b)评价进气道的流通能力2)、总压恢复系数i，20ittPPa)进气道出口气流平均总压与自由流总压之比b)评价气流在进气道内部的流动损失3)、总压恢复系数 Dc60，60060022()cminD= P-Pqa)进气道出口截面上任意一个 60扇形区内平均总压的最小值与进气道出口截面平均总压之差和进气道