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1、力学实验原理与方法力学实验原理与方法高速流体力学实验n n2.1 2.1 基本知识基本知识基本知识基本知识n n 研究对象研究对象研究对象研究对象n n 速度划分速度划分速度划分速度划分n n 流动特点流动特点流动特点流动特点n n 实验研究分类实验研究分类实验研究分类实验研究分类 n n 主要模拟参数主要模拟参数主要模拟参数主要模拟参数n n 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容n n 风洞实验主要困难风洞实验主要困难风洞实验主要困难风洞实验主要困难n n 典型模拟设备典型模拟设备典型模拟设备典型模拟设备n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n 基本构成基本构
2、成基本构成基本构成n n 压力测量压力测量压力测量压力测量n n 热流测量热流测量热流测量热流测量n n 天平测力天平测力天平测力天平测力n n 自由飞测力自由飞测力自由飞测力自由飞测力n n 油流技术油流技术油流技术油流技术n n2.3 2.3 案例分析案例分析案例分析案例分析n n2.4 2.4 现代实验技术现代实验技术现代实验技术现代实验技术n n2.1 2.1 基本知识基本知识基本知识基本知识n n 研究对象研究对象研究对象研究对象 飞行器：超声速飞机、战术导弹、战略导弹、飞行器：超声速飞机、战术导弹、战略导弹、 航天飞机、返回式飞船、跨大气层飞航天飞机、返回式飞船、跨大气层飞 行器；
3、行器；n n 速度划分速度划分速度划分速度划分 亚声速亚声速 M0.8M0.8 跨声速跨声速 0.8M1.20.8M1.2 超声速超声速 1.2M51.2M5 高超声速高超声速 MM5 5n n 流动特点流动特点流动特点流动特点 可压缩性可压缩性激波激波声障声障气动力气动力 粘性粘性 烧蚀烧蚀热障热障气动热气动热 电离电离等离子体鞘等离子体鞘黑障黑障气动物理气动物理亚声速飞行亚声速飞行穿越大气层飞行穿越大气层飞行高超声速飞行高超声速飞行边界层理论边界层理论升升/ /阻力机制阻力机制声障声障跨声速理论跨声速理论热障、黑障热障、黑障1900192019401960198020202000气气体体动
4、动力力学学的的突突破破与与航航空空航航天天技技术术发发展展普朗特普朗特普朗特普朗特冯冯冯冯- - - -卡门卡门卡门卡门钱学森钱学森钱学森钱学森喷气推进理论喷气推进理论跨跨/ /超声速飞行超声速飞行张新宇张新宇高温化学反应流动高温化学反应流动超燃超燃/ /真实气体效应真实气体效应高超声速技术：高超声速技术：新理论；新概念，新方法，新技术新理论；新概念，新方法，新技术M 34M 34 国家重大需求背景M 1M 1M 710M 710M 23M 23航空飞行器发展航空飞行器发展航天飞行器发展航天飞行器发展高超声速飞行器高超声速飞行器空天飞行器空天飞行器临近空间飞行器临近空间飞行器n n2.1 2.
5、1 基本知识基本知识基本知识基本知识n n 实验研究分类实验研究分类实验研究分类实验研究分类 真实飞行试验真实飞行试验试飞、打靶试飞、打靶 优点：全面考察，综合检验优点：全面考察，综合检验 缺点：费用高昂，人力、物力消耗大；缺点：费用高昂，人力、物力消耗大； 测试困难，受环境因素影响大，难以细致研究。测试困难，受环境因素影响大，难以细致研究。 地面模拟实验地面模拟实验超声速风洞、高超声速风洞超声速风洞、高超声速风洞 优点：费用低廉，容易观测，研究方便、细致；优点：费用低廉，容易观测，研究方便、细致； 缺点：部分检验，形式单一，需要外推数据。缺点：部分检验，形式单一，需要外推数据。n n 主要模
6、拟参数主要模拟参数主要模拟参数主要模拟参数( (相似准则相似准则) ) 马赫数马赫数 MM压缩性压缩性 雷诺数雷诺数 ReRe粘性粘性 总温总温T T0 0，总压，总压P P0 0n n 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容 稳定性、操纵性：气动力稳定性、操纵性：气动力( (力矩力矩) )，压力分布，动导数，压力分布，动导数 气动加热烧蚀情况：热流分布，材料筛选气动加热烧蚀情况：热流分布，材料筛选 气动力气动力( (热热) )组合情况：气动热与气动力的耦合与相互影响组合情况：气动热与气动力的耦合与相互影响 真实气体效应：气体组分真实气体效应：气体组分n n2.1 2.1 基本知识基
7、本知识基本知识基本知识n n 风洞实验主要难点风洞实验主要难点风洞实验主要难点风洞实验主要难点 工作介质需加热工作介质需加热克服冷凝；克服冷凝； 压力比很高压力比很高风洞启动，并获得高雷诺数；风洞启动，并获得高雷诺数； 试验时间一般很短试验时间一般很短设备规模、能量和运行费用限制设备规模、能量和运行费用限制n n 典型模拟设备典型模拟设备典型模拟设备典型模拟设备 暂冲型实验设备暂冲型实验设备 超声速风洞超声速风洞 高超声速风洞高超声速风洞 超燃装置超燃装置 脉冲型实验设备脉冲型实验设备 激波管激波管 激波风洞激波风洞- -炮风洞炮风洞 爆轰驱动激波风洞爆轰驱动激波风洞 特种实验设备特种实验设备
8、 电弧电弧( (加热器加热器) )风洞风洞 物理弹道靶物理弹道靶 爆炸波模拟器爆炸波模拟器 JF-10JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞氢氧爆轰驱动高焓激波风洞(Mach 7-20，总温，总温 8000K，总压，总压800 atm) JF-8A高超声速激波风洞高超声速激波风洞(Mach 6.5-15，喷管直径，喷管直径800mm)跨超声速激波风洞跨超声速激波风洞（Mach 0.8-6，喷管直径，喷管直径800mm）高温低密度激波管高温低密度激波管脉冲实验设备脉冲实验设备超燃模型发动机实验台超燃模型发动机实验台(Mach 5.6, To=2000 K, m=4kg/s) (Mach 5.6, T
9、o=2000 K, m=4kg/s) 直联式超燃实验台直联式超燃实验台(M=2.5, P0=1.5MPa, T0=2100K)热等离子体流动实验系统热等离子体流动实验系统平面激光诱导荧光组分测量系统平面激光诱导荧光组分测量系统暂冲型实验设备暂冲型实验设备n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n 基本构成基本构成基本构成基本构成 传感器传感器放大器放大器数据采集系统数据采集系统 系统要求：系统要求：传感器、放大器、采集系统高可靠性，便于使用；传感器、放大器、采集系统高可靠性，便于使用； 并且通道数、频响、带宽、速率等满足要求，相互匹配；并且通道数、频响、带宽、速率等满足要求，
10、相互匹配； 发展趋势：集成化、小型化、数字化、智能化、模块化。发展趋势：集成化、小型化、数字化、智能化、模块化。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n 基本构成基本构成基本构成基本构成 (i) (i) 直流放大器直流放大器：优点：优点：优点：优点：l l全集成电路，程控放大，摈弃琴键开关和波段开关，可靠性高；全集成电路，程控放大，摈弃琴键开关和波段开关，可靠性高；l l触摸开关或计算机实现操作；触摸开关或计算机实现操作；l lRS-232RS-232接口实现远程控制；接口实现远程控制；l l基准电压、平衡电压一键锁定，实验前数秒钟全部自动调整完毕。基准电压、平衡电压一键锁
11、定，实验前数秒钟全部自动调整完毕。主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：电压增益：3、10、30、100、300、1000增益精度：0.1%(G100)，0.2%(G100)线 性 度：0.05%频率响应：DC30KHz恒 流 源：060mA连续可调模拟网络：30节附加放大：10倍，RC网络后系统组成：16ch一台，18台任意组合，置于19”标准机柜内，净化电 源供电；通过RS-232接口实现远程控制。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n 基本构成基本构成基本构成基本构成 (i) (i) 直流放大器：直流放大器：n n2.2 2.2 测试方法测试方法测
12、试方法测试方法n n 基本构成基本构成基本构成基本构成 (ii) (ii) 高速数据采集系统高速数据采集系统：AD转换模拟开关信号调理缓冲存储总线扩展计算机同轴电缆放大器放大器优点：优点：优点：优点：l l采集方式：巡检并行采集方式：巡检并行l l高速采集、慢速处理；高速采集、慢速处理；l l性价比高，为并行采集的性价比高，为并行采集的1/41/41/31/3。l l自行配套软件，根据实验特点，开发相应功能。自行配套软件，根据实验特点，开发相应功能。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n 基本构成基本构成基本构成基本构成 (ii) (ii) 高速数据采集系统：高速数据采集
13、系统：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标：主要技术指标： 输入量程：输入量程：20mV20mV80V80V，基本量程，基本量程2.5V2.5V 输入耦合：输入耦合：DCDC、ACAC 通通 道道 数：平均量数：平均量3232256ch256ch，脉动量，脉动量864864 分分 辨辨 率：率：12bit12bit；精；精 度：度：0.1%0.1% 采样速率：采样速率：1.25MHz1.25MHz，0.8S0.8S；( (平均量平均量252550S50S，脉动量，脉动量0.80.81.6S)1.6S) 采样字长：采样字长：1K1K1M1M 触发方式：内部、外部、手动；触发方式：内部、外部、
14、手动； 触发延迟：触发延迟：64K+64K64K+64K。 压力分布压力分布压力分布压力分布 静态压力：静态压力：P P1 1、P P4 4，真空度，充气压力，真空度，充气压力 瞬态压力：瞬态压力：P P2 2、P P5 5，模型表面压力，模型表面压力 压力性质压力性质压力性质压力性质 平均压力：被测点平均值平均压力：被测点平均值 脉动压力：高频分量脉动压力：高频分量 传感器类型传感器类型传感器类型传感器类型 ( (压电、压阻、电阻应变、电容式、电感式压电、压阻、电阻应变、电容式、电感式) ) 压电式：量程宽，抗过载，抗冲击，寿命长，瞬态测量压电式：量程宽，抗过载，抗冲击，寿命长，瞬态测量 压
15、阻式：精度高，尺寸小，性能稳定，瞬态及静态测量压阻式：精度高，尺寸小，性能稳定，瞬态及静态测量 风洞类型风洞类型风洞类型风洞类型 暂冲型风洞：电子扫描阀暂冲型风洞：电子扫描阀传感器传感器放大器放大器采集系统采集系统 脉冲型风洞：传感器脉冲型风洞：传感器放大器放大器采集系统采集系统 要求：要求：要求：要求：量程适宜，安装可靠，接线无误，密封良好。量程适宜，安装可靠，接线无误，密封良好。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n “ “点点点点” ”的压力测量的压力测量的压力测量的压力测量 (i) (i) 分类分类n 基于压电效应的传感器，敏感元件由压电材料制成；n 压电材料可以
16、分为两大类： 压电晶体：石英 压电陶瓷：人工制造的多晶体压电材料n 目前使用较多是钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n “ “点点点点” ”的压力测量的压力测量的压力测量的压力测量 (ii) (ii) 压电式压力传感器常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 n 压电系数、灵敏度： 压电陶瓷石英晶体n 温度范围、温度稳定性、时间稳定性、机械强度： 压电陶瓷石英晶体 n 压电传感器输出能量较小，需接前置放大器n 电荷在无泄漏的情况下才能保存，测量回路输入 阻抗须无限大，对前置放大器要求很高。n 压电传感器的输出可以是电压、电荷信号，对应前置 放
17、大器：电压放大器和电荷放大器。n 电荷放大器优于电压放大器： 1、电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈 电容，与电缆电容无关； 2、电压放大器的精度比电荷放大器略低。n 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路 技术制成；n 单晶硅材料受到力的作用后，电阻率发 生变化，通过测量电路得到正比于力变 化的输出信号；n 硅的压阻效应取决于电阻率的变化，灵 敏度较电阻应变计大50100倍。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n “ “点点点点” ”压力测量压力测量压力测量压力测量 (iii) (iii) 压阻式压力传感器 目前使用的硅压力传感器其应变电桥采用p 型扩散电阻，而应变
18、膜是n 型硅衬底，两者之间是自然的pn 结隔离。工作温度超过120 ，应变电阻与衬底间的pn 结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，因而不能在较高温度环境下工作。 n 压力范围：050kPa、0.1MPa、1MPa、3.5MPa；n 过载能力：2倍；n 额定电压：5Vn 满量程输出：100mVn 零位漂移：5mVn 综合精度：0.05%、0.1%、0.3%、0.5% F.Sn 重复性：0.1%n 螺纹接口：M50.5超燃装置中的压力扫描阀 超燃冲压法发动机的实验超燃冲压法发动机的实验研究中，压力测量是基础。研究中，压力测量是基础。 实验要求的压力工作范围实验要求的压力工作范围大，从大，从2
19、kPa-300kPa2kPa-300kPa，精，精度的的测量系统很难得到度的的测量系统很难得到准确结果。准确结果。 提高测试系统的整体精度，提高测试系统的整体精度，由原来的由原来的12 Bit12 Bit提高到提高到16 16 BitBit。系统构成-8400系统系统构成- 8400系统的优点 自带自带压力校准单元压力校准单元，自存传感器特性曲线并可实时校准，自存传感器特性曲线并可实时校准，保证测量的高精度（保证测量的高精度（0.05%0.05%）。节省时间、降低劳动强度。）。节省时间、降低劳动强度。 传感器为传感器为差压测量差压测量，对压力较低的环境（，对压力较低的环境（kPakPa量级）测
20、量量级）测量精度较高。精度较高。 压阻压阻元器件，使传感器的响应时间缩短（响应时间：元器件，使传感器的响应时间缩短（响应时间： 1 1毫毫秒秒 ）。）。 由于采用了由于采用了微型模块微型模块技术，使电子扫描模块（最多一模块技术，使电子扫描模块（最多一模块可测可测6464路）可以安装在实验件内部，缩短实验件到传感器路）可以安装在实验件内部，缩短实验件到传感器的距离，提高测量的精确度。的距离，提高测量的精确度。 以太网以太网传送数据，大大提高了传输速度。传送数据，大大提高了传输速度。主要验收指标使用情况试验次数近千次，目前使用情况良好。n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n
21、“ “点点点点” ”的热流测量的热流测量的热流测量的热流测量 (i) (i) 分类分类 热流分布热流分布热流分布热流分布 模型表面、缝隙、凸起物热流分布，关心最大热流；模型表面、缝隙、凸起物热流分布，关心最大热流； 热流性质热流性质热流性质热流性质 平均量：被测点热流平均值平均量：被测点热流平均值 脉动量：高频分量脉动量：高频分量 测量形式测量形式测量形式测量形式 大面积、密集型、集成化大面积、密集型、集成化 风洞类型风洞类型风洞类型风洞类型 脉冲型风洞：传感器脉冲型风洞：传感器放大器放大器采集系统采集系统 要求：要求：要求：要求：安装可靠，接线无误，密封良好。安装可靠，接线无误，密封良好。温
22、度传感器测试技术 薄膜电阻温度计薄膜电阻温度计 同轴热电偶同轴热电偶 半导体温度传感器半导体温度传感器基于焦热效应的热量计温度辐射测量技术光学测量方法 红外辐射温度测量技术红外辐射温度测量技术 液晶测试技术液晶测试技术 磷光测试技术磷光测试技术 温度敏感漆温度敏感漆n n2.2 2.2 测试方法测试方法测试方法测试方法n n “ “点点点点” ”的热流测量的热流测量的热流测量的热流测量 (i) (i) 分类分类热流率测量研究现状热流率测量研究现状 ( (国外国外CALSPAN)CALSPAN)Stagnationheattransfermeasuremnenttechniquesinhyper
23、sonicshocktunnelflowsoversphericalsegments,KennethM.Chadwick(CalspanSRLCorp.;Buffalo;NY),AIAA97-2493热流率测量研究现状 (国内力学所)铂薄膜电阻温度计测热传感器：铂薄膜电阻温度计测热传感器：l 基底材料：玻璃或陶瓷；l 灵敏度高、响应快、易于集成化；l 大热流、强冲刷的情况下，能力不足；l 气体电离的情况下，无法使用。 l 外形尺寸：柱形24mm， 集成的间距2.25mm；同轴热电偶测热传感器：同轴热电偶测热传感器：l 两种不同材料的热电偶丝，一端连接；l 响应快，但灵敏度低；l 适宜驻点区附近及电离气体的测量；l 外形尺寸：柱形1.62mm。 热电偶是一种基于热电效应的温度传感器。扩扩散电动势散电动势(接触接触电动势电动势)和温差电动势 铜丝铜丝 将铂通过真空溅射的方法溅射到玻璃的表面，铂薄膜的厚度约为10-8m10-7m，其两端选用银浆作为引线。薄膜电阻温度计在一定温度范围内其电阻变化与温度变化成正比。测热原理测热原理 建立在一维半无限体热传导模型基础上，金属薄膜满足如下假设：l 厚度很薄，与基底厚度相比可以忽略；l 吸收的热量可以忽略不计，温度可以认为是传感器表面的温度。
