实验流体力学(4)综述

第一节 风洞试验装置
压电天平 利用压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应的原 理来测量作用在模型上的空气动力载荷，主要用在脉冲型风 洞中进行模型测力实验。20世纪60年代美国在激波风洞中就
应用了压电天平。70年代，我国也成功地研制了三分量压电
天平，并在激波风洞中进行了测力实验；80年代，六分量压 电天平就投入了应用。 压电天平具有结构简单，灵敏度高，线性度好，刚度大， 载荷范围宽以及频率响应快等特点。但是，其缺点是低频特
主要有皮托-静压管、热线风速仪和激光多普勒测速仪。
(6) 巡回检测装置 按一定次序或随机采集多个电压或电流信号（称为模拟 量），并把这些模拟量转化为二进制或十进制数字量的装置 （简称检测装置）。
第一节 风洞试验装置
3. 风洞试验技术
流体力学方面的风洞实验的主要分类有： (1) 测力实验 (2) 测压实验 (3) 传热实验 (4) 动态模型实验
应变式天平
一种通过贴在弹性元件上的应变片，在气动力作用下，因
变形而产生的输出信号变化来测量力和力矩的仪器。应变天平
是一种单分量或多分量的应变式测力传感器，是目前高速与低 速风洞中使用最广泛的空气动力测量装置。 应变天平按结构形式进行分类，可主要分为杆式应变天平 （简称杆式天平）与盒式应变天平（简称盒式天平）两大类。
性差。
第一节 风洞试验装置
磁悬挂天平
其原理可用一个单自由度的闭环磁悬挂系统来说明，该 系统由电磁线圈、磁体（模型）、功率放大器（直流电源）、 模型位置传感器与反馈控制器等组成。作用在模型上的磁力 是模型与电磁线圈距离的函数。当 x=x0 时，磁力与模型的重 力相等，这时，模型处在一个平衡位置，即模型的悬挂位置。 这个位置可由闭环系统通过模型位置传感器将模型的位移信 号传给控制系统，由控制系统通过增益调节电磁线圈的电流 来实现。当模型远离电磁线圈时，作用在模型上的磁力增加， 使模型回到平衡位置。反之，当模型移近电磁线圈时，作用 在模型上的磁力减少，同样，使模型回到平衡位置。
第一节 风洞试验装置
喷流实验。测量飞行器发动机喷流对飞行器机体气动特性影 响的实验。在风洞中要精确模拟喷流是很困难的。火箭发动 机喷流模拟以用缩尺火箭发动机为宜。喷流实验的关键在于 研制高精度天平、小干扰的支架和不传力的输气密封系统。
静气动弹性实验。测量模型刚度对气动特性影响的实验。通
常风洞实验中的模型都是用强度和刚度较大的金属制作的， 而真实飞行器的刚度比模型低得多。因此，需制造一种由金
研究生课程-动力工程测试技术
实验流体力学(4)
王海民 流体机械与工程研究所 hmwang@ 2013年12月
流动参数测量装置
第一节 风洞试验装置 第二节 水动力学试验装置 第三节 其他试验装置
第一节 风洞试验装置
1.风洞的结构形式 (1) 闭合式巡回风洞
(a) 示意图
(b) 外部结构图 图1 闭合式巡回风洞
第一节 风洞试验装置
(2) 压力测量仪器 各种传感器参考前面的课件。
转子压力扫描阀→电子采样压力组件（多路开关和气路切
换开关组成）
(3)总焓测量仪器
(4) 流场密度测量仪器
风洞中常用光学仪器来显示和测量流场，常用的是阴影
仪、纹影仪和马赫-曾德尔干涉仪等。
第一节 风洞试验装置
(5) 气流速度测量仪器
属作骨架、用轻木或塑料作填料、能模拟飞行器各部件弯曲
和扭转刚度的弹性模型，把它放在风洞中作模拟飞行条件的 高动压实验，测量对模型刚度的影响，修正刚体模型实验的 数据。
第一节 风洞试验装置
外挂物测力和投放轨迹实验。测量飞行器外挂油箱、炸弹或
其他物体的气动力和外挂物投放轨迹的实验。由于风洞尺寸
的限制，风洞中外挂物模型很小，测量很困难。早期的实验 是设计专门的外挂物天平。天平可以放在外挂物模型或者它
的挂架内直接测量。外挂物投放轨迹是用高速摄影或多次曝
光技术对自由投放的模型进行照相记录。 除上述实验外，还有一些专门的测力实验，如铰链力矩测量 、摩阻测量、进气道阻力测量、马格纳斯力和力矩测量等， 这些都要有专门设计的天平。
第一节 风洞试验装置
(2) 测压实验
风洞洞壁、模型表面上各点和气流中各点的当地压力参数测
(5) 流态观测实验
第一节 风洞试验装置
(1)测力实验
利用风洞天平测量作用在模型上的空气动力和力矩的风洞 实验。它是风洞实验中最重要的实验项目之一。测力实验 主要有：全模型和部件的纵向和横向测力实验、喷流实验 、静气动弹性实验、外挂物测力和投放轨迹实验等。 全模型和部件的纵向和横向测力实验测量沿模型上三个互 相垂直轴的力和绕三个轴的力矩的实验。
(a) 示意图 图2 开放式巡回风洞
(b) 外部结构图
第一节 风洞试验装置
2. 风洞测试仪器
(1) 气动力测量仪器
气动力测量仪器直接测量风洞中作用于模型上的气动力和力
矩的装置主要是风洞天平 。风洞天平的分类方法很多，按测 量原理可分为： 机械式天平 应变式天平
压电晶体天平
电磁悬挂天平
第一节 风洞试验装置
机械式天平(静态测量）
一种通过机械结构系统（包括各种传力杆系、铰链、力平台、
力矩平台等）传递和分解模型上的气动力，并由感受位移的 测量元件进行测量的风洞天平。
图3 挂线式三分力天平示意图
第一节 风洞试验装置
图4 塔式机械天平
图5 台式机械天平
第一节 风洞试验装置
量。 风洞中最常见的测压实验是模型表面压力分布测量。模型表 面上直接开有测压孔。通过实验，可以了解局部流动特性并 积分出总的气动特性。常见的有飞行器测压、汽车测压和建 筑物测压等。
第一节 风洞试验装置
图6 单自由度的闭环磁悬挂系统
第一节 风洞试验装置
校准问题：
天平校准分为静校和动校两种。
利用校正装置对天平进行静态标定称为天平静 校。天平静校的目的是：证明天平能够受多大载荷； 测定每个分量的校准系数、灵敏度；测定天平的干 扰和变形；校验载荷数据的重复性，从而确定天平 使用公式和天平的精度、刚度和强度。 在风洞内把标准模型装在经过静校的天平上进 行吹风实验称为天平动校，其目的是检验天平的性 能，确定天平的精度。