现代流体测试技术

现代流体测试技术

2013-2014学年第一学期现代流体测试技术期末试题一、什么是测量，举例说明3种流动显示技术，详述其特征。详述流动显示中的纹影法、阴影法和干涉法。1、测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。2、例举三种流动显示技术：静态法中的涂膜法：这是一种比较常用的方法。这种方法就是在模型或原型表面涂以具有某种特性的涂料，然后置于流动中，根据涂层在试验中出现的图谱，可以分别定性地确定出层流和湍流区、转捩点位置、流动分离区、表面压力和表面温度分布等流动性状。不同的涂料配方，涂膜法显示原理是不同的，选择涂料要视所显示的流动性状而定。例如，利用某些涂料在不同条件下的蒸发、升华或溶解度

的不同，就可在显示的图谱中区分出层流区和湍流区。一般观察水流中边界层的转换，可用安息香酸添加对苯二酚、双醋酸醋、红丹粉与铬酸铅粉末等。在气流中，显示边界层的层流一湍流所用的涂料有轻油，液体石蜡与碳粉或与二氧化氢混合成的涂料、以及混有挥发液的陶土等。显示温度分布的方法是利用对温度敏感的涂料，如液晶，于已知其颜色是局部温度的函数，因此，根据表面图谱中的颜色分布，就得到物体表面的温度分布。如果涂了涂料的物体表面在流动中可以变形，但又不影响流动，则流动对物面的不均匀压力分布，使涂层产生一个确定的表面起伏，据此可分析出压力分布的结果。这种方法最适宜显示马赫波在壁面的反射，所用涂料是碳黑。动态法中的光学方法：在高速气流中，于可压缩性，无法应用示踪粒子法。于光学技术的发展，光学测试方法就在实验流体力学中得到十分广泛的应用。虽然有各种光学方法，但其原

理复杂，设备繁多。光学方法的基本原理可归结为两种:一种是光线通过流场，光的折射率随流体密度而变，其折射偏转量与流场密度分布有关；第二种是受到流场扰动的光线相对于未受扰动的光线，产生相移，这种相移量与流场密度变化有关。根据这两种关系，可设计出各种装置，对流场进行各种观测。按照第一种原理设计的方法有阴影法和纹影法，按照后一种原理设计的有干涉法。还有综合两种原理而设计的纹影干涉法。这些方法都是以几何光学为基础的，要求装置有高度的机械稳定性，以保证方法的灵敏度。此外，还有以波动光学为基础的相差纹影法，基本原理是利用衍射产生相差，这种方法的灵敏度最高。线簇法：这种方法就是在模型表面有规律地布之以一簇一簇的丝线，吹风时，线簇指示的方向显然代表物体表面附近气流的方向。图2则是用这种方法得到的汽车表面的流动。线簇法使用方便，应用广泛，但仅适用于低速流动。以上

所述的几种表面流动显示法只能适用于定常流动，显示边界面附近流动的某些性状。但是，它们的适用范围十分宽广，比如，油膜流动法对水流的测定范围为10厘米/秒至15米/秒，对气流为10米/秒至M=6，油点法甚至可用于M=12。6的流动。3、纹影法：原理与阴影法相同，但其灵敏度比阴影法高一个数量级。它是空气动力学和热力学试验研究中用的最多的流动显示方法，有彩色纹影法、干涉纹影法，从定性流动显示过渡到定量流动显示。纹影仪光源、透镜、刀口和观察屏幕四部分组成。当折射角一定的情况下，透镜焦距越大、刀口光轴的距离越小，对比度就越大，所以，为了提高纹影仪的灵敏度，应选用长焦距镜头，调整时应尽量调小刀口光轴的距离至目视最小亮度为止。双透镜纹影仪的原理光路图如下图所示。阴影法：阴影法简单来说是将一束光束通过被测流场的测试段，根据光线受扰动后的线位移量，来分析气流的密度或温度

分布。气体折射率分布不均匀的测试段扰动区，光线将发生偏移，在屏上呈现出亮暗不均的图像，它反映了扰动区的线位移。阴影仪光源、透镜、显示屏三部分组成。阴影法对于气流二阶导数的变化量敏感。如下二图所示。气体折射的不均匀性发生在y方向上，光线穿过厚度为L的测试段，在出口处偏转了α角，α是y的函数，在观察屏?ysc 区域内光强与出口处?y区域内的光强不同，设原始光强为IT，则屏幕上的光强为I0??yIT ，Zsc是测试段至屏幕之间的距?ysc?2n?2n?ysc??y?Zsc??，离，则：光强对比度Rc在x、y方向可简化为：RC??ZSC?(2?2)dz，?x?yL阴影法是利用光线通过流场扰动区产生线位移得到的图像的对比度来显示折射场。干涉法：干涉法简单来说是根据光线穿越流场后的相位的变化来研究气体折射率的空间分布。利用光的波动性，根据光线穿越流场后相位的变化来研究气体折射率的空间分布，利用干涉图中干涉

条纹的变化推算出气流密度的变化。单色平行光经过分光镜BS1分成两束单色平行光，其中一束经过平面反射镜M2直射到观察屏幕上，而另一束则经过测试段而改变相位，再依次经过反射镜M1以及分光镜BS2投射到观察屏幕上，此两束不同相位的单色光在屏幕上会合，便形成了干涉条纹，这些干涉条纹的图像与测试段的流体折射率有关，而流体折射率和它的密度成正比，因而干涉条纹的图像直接反映了流场密度的变化，干涉法采用激光光源后，于激光的单色性好，使干涉法定量测量比较方便，设备也简单。二、简述热线测速的测速原理。作出恒温热线和恒流热线的线路图，详述二者的工作原理及其差异。

1、热线测速是利用热线的热损失来测量流体流速，具体做法是将通有电流的金属丝放在待测流场中，金属丝于电流的热效应而发热，继而与周围介质之间发生热交换。当介质流速变化时，金属丝的温度随之变化，并引起测量电路参数

的改变，从而使电信号体现出流速变化，热线测速的优点是：检测元件小，惯性小，频响快，灵敏度高。热线测速根据king公式来计算：H??Tw?Te???l?fA??l?f?????dU?。???2、恒温式HWFA原理图如下所示。恒温式是一种自动平衡电桥测量法，于保持热线工作温度不变，流速与电压之间是单值函数关系，所以其测量精度比恒流式高很多。于热线工作温度始终自动控制在恒定值上，只要操作得当，就不易造成仪器损坏。恒温式则具有热滞后效应很小、频响宽的优点，它可以用于测量快速变化的流场。故目前恒温式热线风速仪远比恒流式用得普遍。

3、恒流式HWFA原理图。恒流式是一种不平衡电桥测量法，电路结构更简单，电流固定不变时，随着流体流速的增大，热线上的热损耗加大，工作温度下降，造成测量灵敏度迅速降低，所以它在测量较高流速时反映就不够灵敏，尤其当流速突然下降时，于热线上的工作电流