一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统

1.本发明属于风洞实验、测量领域，具体是一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统。


背景技术：

2.平板样品在风洞中的剪切力测量一直都是实验流体力学领域即重要又基础的问题，其精确测量有利于流体近壁发展、边界层理论、减阻等领域的研究。而其中一个难点在于精确并直接地测量平板样品的剪切力。过去在风洞中实现平板剪切力直接测量时，为了使力值容易被读取，会将样品面积做的较大，因为更大的样品会产生更大的气动剪切力。但是大面积的方案既不利于实验的便利性，也可能引入更多的限制因素，例如压差导致的误差、表面流场压力分布不均引起的误差等，而分辨力受制于仪器原理往往难以提高。如果使用例如油膜法、热膜法、热线法等间接方法测量剪切力时，这些方法引入的诸多基础性假设会带来系统误差，由于测量往往关注局部位置的剪应力，其在概念上无法与剪切力直接测量做到完美的匹配，更不用提测量过程中繁琐的技术手段和使用复杂昂贵的设备。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种新式的剪切力测量系统，其结构简单，误差可控，通过设置遮掩板实现风洞近壁附面层切除与窗口化测量，设置隔离箱隔离外界干扰。该发明可以实现高分辨力的精确力值测量，即可以实现小面积样品气动剪切力直接测量。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统，安装于风洞的试验段，测试系统包括隔离箱(1)、支撑柱(2)、气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板样品(5)、遮掩板(6)、灵敏气压计(7)、风机(8)、气管(9)、气管接头(10)、集气匣(11)和力传感器(12)；
6.所述平板样品(5)置于装载平台(4)上；所述气浮导轨(3)由导轨(31)与滑块(32)组成；装载平台(4)固定于气浮导轨(3)的滑块(32)上；导轨(31)通过支撑柱(2)固定于隔离箱(1)箱体底部；所述支撑柱(2)的高度可以进行调整，即气浮导轨连同其上方安装的装载平台(4)和平板样品(5)的高度可以调整；所述传感器(12)安装在支撑柱上，位于滑块(32)下方，但与滑块(32)不接触；所述滑块(32)上安装探针，探针尖端与传感器(12)固定；所述滑块(32)沿导轨(31)方向的受力情况通过力传感器(12)测得；
7.所述遮掩板(6)贴合并固定于风洞试验段下壁面的开槽内，其上表面置于风洞试验段空间内部；遮掩板(6)沿来流方向的两端分别向外延伸出整流前缘和整流后缘；所述整流前缘和整流后缘截面通常为刀刃状或椭圆状，如果整流前缘设计为刀刃状，刃的劈角不应大于5
°
；所述遮掩板(6)整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间有高度差d；所述遮掩板(6)内部有一个较大的矩形空腔，其空腔内部容纳所述气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板
样品(5)，所述空腔上表面加工一个较小的矩形开口，使平板样品(5)透过矩形开口暴露在风洞试验段的流场中；当所述气浮导轨(3)通气时，其上安装的装载平台(4)、平板样品(5)可以在空腔中沿导轨方向以极低内阻运动；所述平板样品(5)与遮掩板(6)之间保持极小的间隙s；所述遮掩板(6)矩形开口的边缘为刀刃状；
8.所述遮掩板(6)整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间的高度差d，是为了完整切除风洞近壁附面层，高度差d取决于来流附面层厚度δ
*
：
9.d＝(1.5～2)δ
*
[0010][0011]
式中，x为遮掩板前缘距试验段最前端的距离，假设试验段最前端为试验段内附面层开始生长的位置；v
∞
为试验段中心区气流流速，即风洞实验的设计流速，ν为空气的运动粘度；
[0012]
所述遮掩板(6)整流前缘上表面上可选地设置粗糙带或绊线，即示意图a处，使得风洞近壁附面层被切除后，再人为激发形成新的湍流；
[0013]
所述平板样品(5)与遮掩板(6)之间的距离s，是为了使二者之间不产生接触，避免风洞内的振动通过接触传递给样品，最终传递给传感器造成误差，同时避免二者接触产生摩擦力造成误差，过大的s会使平板样品与流场之间出现有明显高度差的间隙，也不利于误差控制。s应满足：
[0014]
s≤200μm
[0015]
所述隔离箱(1)将整个测试系统与大气环境隔离开来；所述集气匣(11)用于收集遮掩板(6)整流前缘在切除风洞近壁附面层后其下方分离出的气体；集气匣(11)的外壁面分别与风洞试验段下壁面上开槽的内壁、遮掩板(6)整流前缘的外壁贴合固定；所述集气匣(11)通过气管(9)、气管接头(10)与风机(8)相连，使得集气匣(11)收集的气体通过风机(8)排出测试系统外部；
[0016]
风机(8)的流量qf根据遮掩板(6)整流前缘切除截面上的流量q调整：
[0017]
qf＝cq
[0018]
其中宽容系数c＝1～1.5；
[0019]
集气匣(11)切除截面上的流量q为：
[0020][0021]
式中，w为遮掩板(6)在流动展向的宽度，v
x
为附面层中速度分布，其函数为：
[0022][0023]
式中，v
∞
为试验段中心区气流流速，y为附面层中某点位置距离壁面的法向距离，δ
*
为附面层的计算厚度。
[0024]
所述隔离箱(1)是一个立方形的完整箱体，与风洞试验段配合安装，位于风洞试验段的下方，二者在b位置重点设置密封条密封。
[0025]
所述灵敏气压计(7)放置在隔离箱(1)内部，用来监测隔离箱的密闭性。风洞开启后，灵敏气压计(7)的读数，即箱内静压应略低于大气压强并维持在稳定范围内。本发明的
有益作用是：
[0026]
1.传统的风洞剪切力测量方法精度较低，造成精度较低的原因主要集中在：测量原理的限制、误差源较多两个方面。
①
传统方法测量时，将待测平板样品安装在风洞洞壁开槽中或者一块更大的测试平板中部的开槽中，样品与槽边缘平齐，样品下方连接敏感元件，例如连杆、多连杆或易形变的应变梁等结构，受力时通过检测敏感元件的形变、移动、转动角度等，换算获得剪切力的大小，但是形变、移动、转动等可能一同发生的，对于平板样品的风洞测试来说这容易带来误差。
②
传统的测量误差来源可能有很多，例如：平板样品受力后边缘翘曲形成凸出或凹陷，例如凸起边缘在上游来风时将受到直接的力值干扰、样品表面压强的不均匀分布引起的倾翻力矩、表面压力梯度作用在大面积或不平整表面上时造成的次生力值、样品与周围风洞洞体结构装配间隙气流窜动等等，以上都可能对测量结果造成波动。本发明的有益作用在于，不同于以前的凹槽式安装方法，本发明使用遮掩板覆盖在平板样品上方，留出固定面积的开口，样品暴露在流场中的面积不随样品的微小移动而改变，原本样品和风洞结构之间竖直的安装缝隙被遮掩板和样品之间更小的水平安装缝隙代替。气浮导轨极好的抗扭转与翻转能力使样品不会发生翻转与翘曲。气浮导轨极低的内阻使系统可以分辨更微小的力值变化，样品本身可以做得较小，表面压力分布变得不再敏感，故误差源的来源缩小。故本发明使小面积平板样品气动剪切力的精确测量成为可能。
[0027]
2.使用气浮导轨测量气动剪切力，所述气浮导轨由导轨和滑块组成，通过导轨上的开孔向导轨与滑块接触的四个面之间的缝隙注入高压气体，可以使缝隙中形成承载能力极强的均匀气膜，气体润滑下导轨与滑块可以认为是无接触的装配，二者的直接接触阻力可以忽略，仅存在气膜形成的气动阻尼力，在低速运动过程中，该阻尼力也可以忽略，故气浮的测力方法可以使内阻将至极低，近似为零，其提供的测量环境非常有利于实现力的单方向高分辨力测量。
[0028]
3.本专利实现了风洞近壁附面层切除，即将风洞上游稳定段、收缩段直到试验段起始位置形成的近壁附面层进行了分离，这样做的好处在于：
①
直接放弃风洞近壁附面层，不用担心收缩段结束后风洞近壁附面层发展对实验造成的影响
②
许多风洞实验直接在试验段中间水平平面附近的位置设置平板，并在平板设置绊线或者粗糙带激发湍流附面层进行平板样品剪切力测试，但由于中小型风洞试验段截面积不大，考虑到测试设备体积造成的阻塞率不能在风洞试验段中心设置平板，故只能在近壁位置实验，近壁附面层的分离就成为保证实验数据真实可用的重要技术手段。
③
经过遮掩板分离后底部的气流被完整抽离，不会对测试结构产生多余的振动激励，这部分气体也不参与后续流场的发展，直接排入大气，有利于整体测试误差的控制。
[0029]
4.隔离箱及遮掩板将测试系统所在环境与外界大气、风洞内部气流环境进行了隔离，有利于避免环境造成的误差。
附图说明
[0030]
图1为本发明装置的剖视图；
[0031]
图2为本发明部分零部件的安装位置。
[0032]
图中，1.隔离箱，2.支撑柱，3.气浮导轨，4.装载平台，5.平板样品，6.遮掩板，7.灵敏气压计，8.风机，9.气管，10.气管接头，11.集气匣和12.力传感器。其中3.气浮导轨由31.
导轨与32.滑块组成；
[0033]
图3为遮掩板前缘部位局部放大图；
[0034]
图4为遮掩板中部开口位置局部放大图。
具体实施方案
[0035]
一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统，安装于风洞的试验段，测试系统包括隔离箱、支撑柱、气浮导轨、装载平台、平板样品、遮掩板、灵敏气压计、风机、气管、气管接头、集气匣和力传感器；
[0036]
平板样品置于装载平台上；气浮导轨由导轨与滑块组成；装载平台固定于气浮导轨的滑块上；导轨通过支撑柱固定于隔离箱箱体底部；支撑柱的高度可以进行调整，即气浮导轨连同其上方安装的装载平台和平板样品的高度可以调整；传感器安装在支撑柱上，位于滑块下方，但与滑块不接触；所述滑块上安装探针，探针尖端与传感器固定；滑块沿导轨方向的受力情况通过力传感器测得；
[0037]
遮掩板贴合并固定于风洞试验段下壁面的开槽内，其上表面置于风洞试验段空间内部；遮掩板沿来流方向的两端分别向外延伸出整流前缘和整流后缘；整流前缘和整流后缘截面为刀刃状且刃的劈角为5
°
；遮掩板整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间有高度差d＝3mm；遮掩板内部有一个较大的矩形空腔，其空腔内部容纳气浮导轨、装载平台、平板样品，空腔上表面加工一个较小的矩形开口，使平板样品透过矩形开口暴露在风洞试验段的流场中；当所述气浮导轨通气时，其上安装的装载平台、平板样品可以在空腔中沿导轨方向以极低内阻运动；平板样品与遮掩板之间保持极小的间隙s＝200μm；遮掩板矩形开口的边缘为刀刃状；
[0038]
遮掩板整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间的高度差d，是为了完整切除风洞近壁附面层，近壁附面层δ
*
的厚度：
[0039][0040]
式中，x为遮掩板前缘距试验段最前端的距离，假设试验段最前端为试验段内附面层开始生长的位置；v
∞
为试验段中心区气流流速，即风洞实验的设计流速，ν为空气的运动粘度；
[0041]
代入x＝0.195m，ν＝14.8
×
10-6
m2/s(20℃时)，v
∞
＝60m/s，得：
[0042][0043]
遮掩板整流前缘上表面上可选地设置粗糙带或绊线，即示意图a处，使得风洞近壁附面层被切除后，再人为激发形成新的湍流；
[0044]
隔离箱将整个测试系统与大气环境隔离开来；所述集气匣用于收集遮掩板整流前缘在切除风洞近壁附面层后其下方分离出的气体；集气匣的外壁面分别与风洞试验段下壁面上开槽的内壁、遮掩板整流前缘的外壁贴合固定；集气匣通过气管、气管接头与风机相连，使得集气匣收集的气体通过风机排出测试系统外部；
[0045]
风机的流量qf根据遮掩板整流前缘切除截面上的流量q调整：
[0046]
qf＝cq
[0047]
取宽容系数c＝1.1；
[0048]
集气匣切除截面上的流量q为：
[0049][0050]
式中，w为遮掩板(6)在流动展向的宽度，v
x
为附面层中速度分布，其函数为：
[0051][0052]
式中，v
∞
为试验段中心区气流流速，y为附面层中某点位置距离壁面的法向距离，δ
*
为附面层的计算厚度；
[0053]
将上式代入积分，得：
[0054][0055]
根据前文已知v
∞
＝60m/s，δ
*
＝1.1
×
10-3
m，同时d＝3mm，即d＝3
×
10-3
m，w＝90mm即w＝9
×
10-2
m将这些数据代入上式，得集气匣切除截面上的流量q为：
[0056]
q＝51.192m3/h
[0057]
所以风机的流量qf取：
[0058]
qf＝1.1
×
51.192＝56.3112m3/h
[0059]
所述隔离箱是一个立方形的完整箱体，与风洞试验段配合安装，位于风洞试验段的下方，在b位置重点设置密封条密封，同时在集气匣与试验段接触面、集气匣与遮掩板接触面、遮掩板与试验段接触面的缝隙处涂抹硅酮密封胶。
[0060]
所述灵敏气压计放置在隔离箱内部，用来监测隔离箱的密闭性。风洞开启后，灵敏气压计的读数，即箱内静压应略低于大气压强并维持在稳定范围内，其值约为95-97％atm。