北京航空航天大学五系流体力学实验染色液流动显示实验报告

研究生《流体力学实验》

——飞机标模染色液流动显示

实验报告

班级

姓名

实验日期

指导教师

北京航空航天大学流体力学研究所

一、实验目的

1. 掌握染色流动显示技术的基本原理、应用方法和实验过程中应注意的技术问题。

2. 了解战斗机典型绕流现象和特性，包括机翼前缘涡（边条涡）、机头涡的形态、特征、涡

系间相互作用，以及攻角影响等，并分析这些流动现象对飞机气动性能的影响。

二、基本原理

流动显示技术是显示技术包括方法、设备、记录手段、图像处理和数据分析等方面，逐渐形成专门的实验技术。

水洞中常用的流动显示技术有氢气泡方法和染色方法等（属于示踪粒子方法），配以激光片光源等辅助手段可以得到很多有意义的细节结果。染色线流动显示是在在被观测的流场中设置若干个点，在这些点上不断释放某种颜色的液体，它随流过该点的流体微团一起往下游流去，流过该点的所有流体微团组成了可视的染色线。染料选取应注意：1.所选取的染料应使染色线扩散慢、稳定性好；2.染色液应与水流具有尽可能相同的密度（与酒精混合）；

3.

染料颜色与流场背景形成强的反差（荧光染料）注入方式；4.在绕流物体表面开孔；5.直接注入流场中所需要观测的位置。

本实验选用飞机标模，利用染色液方法观察其绕流的典型流动现象，重点关注机头涡、边条涡及其对基本翼（主翼也称后翼）流动的影响。

三、实验装置及模型

1.实验模型

飞机标模由机身、机翼、尾翼构成，见图2。机身为尖拱型头部加圆柱形后体，机翼为大后掠边条加中度后略三角翼主翼，尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼（单立尾）。各部分表面都布有染色液出孔。

2.实验风洞

北航1.2米多用途低速串联水平回流式水洞。该水洞实验段尺寸大、流场品质高，与同类设备比较，不但在国内领先，而且达到国际先进水平。设备主实验段1.2米×1米×16米（高×宽×长），流速范围0.1～1.0米/秒。主实验段主要流场品质：湍流度0.27％～0.45％，截面速度不均匀度：0.46％。

四、实验步骤

1.实验准备，将染色液注入系统；

2.开启水洞，水流速度稳定到10cm/s；

3.调整攻角；

4.待流场稳定后，调节染色液流量，得到清晰的流动结构显示形态；

5.待流动稳定后，观察稳定的流态，拍摄照片；

6. 将攻角分别调整到0 o，5o，10o，15o，20o，25o，30o，35o，40o，45o，50o，55o，60o，重复步骤5，直到所要求的攻角状态实验全部完成。

五、实验结果报告

1．实验条件：

①水温t=20o C；

水的运动粘性系数υ=0.878×10-6米2秒；

附：水的运动粘性系数随温度的变化：

②水流速度 U = 0.1 米/秒；

③特征长度C=0.115m （C为模型机翼平均弦长）

计算：雷诺数 Re = UC /υ= 1.310×104；

2．实验结果和分析

结合实验观测结果，描述和分析：

1.边条涡的形态随迎角的变化；不同攻角状态下边条涡对主翼流动（包括与主翼涡系的相

互干扰及其对主翼流动分离等）的影响。

2．机头涡的形态及其随攻角变化特性。

其中各集中涡（机头涡、边条涡和主翼涡）的形态及其随攻角变化特性包括：随攻角增加，各集中涡的形成、发展（强度变化）、破裂现象及其破裂点位置变化等的规律性。

本实验结果用相机和DV分别从模型侧面和上面拍摄侧视图和俯视图，以便更好地观察涡的结构。实验结果如下：

在迎角下，机身没有出现涡结构，整个流场的流动平稳。

随着迎角增加到，在图中可以看到在边条的前缘形成了对称的前缘脱体涡。

当迎角增加到时，边条前缘形成的脱体涡仍只对内翼流动产生影响。

在时，边条涡的强度达到足够强，且边条涡向主翼两端流动；主翼上发生了流动分离，通过侧图可以看到，边条涡具有抑制流动分离的作用，并出现机头涡。

迎角继续增加到，边条涡发生破裂，破裂点如图所示，由于边条涡的破裂，对外翼的诱导作用大大减弱。

从图中可以看到，边条涡的破裂点位置往前移动，已经非常靠近前缘折点。此时，流体流过机头后发生分离形成一对对称的漩涡。

边条涡的破裂点位置继续往前移动，基本已在折点处的前方。在下，机头涡仍然呈现对称性。大致在机身中部位置发生破裂。

边条涡的破裂点往前方移动，很靠近边条翼的前缘。机头涡的破裂位置前移。

边条涡的破裂点往前方移动，基本靠近产生的位置。

边条涡一产生，基本就发生了破裂。机头涡仍然呈现对称状态。

边条涡一产生，就发生了破裂。

在下，由于迎角很大，边条涡破裂点基本就在产生的位置，机头涡在此迎角下，大部分还呈现对称状态。

当迎角为时，边条涡和机头涡耦合在一起；而流动的不对称性则进一步加剧，边条涡和机头涡耦合在一起向主翼的一端偏斜，三秒后向另一端偏斜，可见流动的不稳定性进一步加剧。综上，在迎角为以前，边条翼产生的边条涡都是沿着主翼的内翼部分往后延伸，在时，出现边条涡，并开始沿着翼展方向对外翼流场产生作用，此时边条涡增加了主翼边界层抵抗分离的能力，此有利干扰引起了涡升力。当迎角达到时，边条涡在主翼上发生破裂，破裂点在主翼中间位置，往后随着迎角继续增大，破裂点一直往前移动，直至产生位置。机头涡在大约时产生，且呈现对称状态。漩涡破裂点也是随着迎角的增大而前移，在，涡都基本呈现对称，达到，涡系呈现非对称状态，涡在上下方向有运动，破裂点位置也在交替往复运动。

八.思考题

1.染色液流动显示实验中，为得到可靠的流动显示结果，有哪些问题需要注意？

色液的物理性质（如比重和运动粘性系数等）要求尽量和水接近以满足跟随性要求。染色液物理性质与水接近，流量稳定，避免射流，拍摄角度要好，避免倒影反光等的影响。

2.边条对机翼流动和飞机气动性能有何影响？