Aerodynamic and Hydrodynamic Applications

空气动力学与流体力学应用

杆端壁流动是一个广为人知的简单的实验,但能产生复杂的流场。此流场包含一个二维表面摩擦力场,同时带有驻点,回流区与压力梯度。实验设置如下:沿着19mm直径的塞子边缘安装一个圆柱,带有1mm深的腔体,填充S3F。圆柱直径5mm,长度大约50m。塞子安装在壁测试区域的下部,顺着圆柱油膜下游方向。采集不同速度下数据,最高3.1m/s,曝光时间20ms。然后选择塞子使圆柱位于油膜下方,重复采集数据。顺流与逆流数据合并,生成完整的杆端流场结果。

S3F7

切向位移场使用矢量同时表示出量级与方向,彩色轮廓表示法向形变。逆游涡流连接点位置在切向位移矢量图中可以明显看到。等高线描绘出的涡流连接点几何曲线类似杆被包裹缠绕,可提供从涡流中心到杆前沿的顺流位移的估算。低速自由气流产生大的涡结,却并未紧紧缠绕可表示等高线方向的圆柱。驻点清楚地位于圆柱逆流侧,剪切力增加区域体现为气流环绕圆柱加速。

S3F-DeltaWing

将三角翼喷涂薄薄一层S3F,采用高对比度荧光探头激发。三角翼放置在ISSI风洞,5度攻角,通过5M像素CMOS相机采集数据。原始与过程数据如图,通过过程数据可清楚看到机翼前沿的涡流对。此实验的工作距离为若干英尺,视场大约6平方英寸,曝光时间为1ms。非常有趣的是本实验采用的相机是便宜的普通USB相机(价格低于$700)。使用S3F测量摩擦力数据并非一定要使用昂贵的科学技术相机。

S3F9

另一个S3F墙面流场例子为NACA0012低速翼面测量。此翼面前沿有著名的层流分离泡。在缠绕前沿的中部翼展附近制造1mm深的腔体,将1mm厚S3F置于Mylar膜之上,并粘附在腔体内,如此做的目的是为了保护翼面。将翼面放置于风洞,并用LED光源激发,采集不同攻角下的数据,下图列出的是12度攻角在10m/s风速下的数据。沿着翼弦的法向切向形变被提取出来,转换为压力与表面摩擦力。剪切场视图显示出前缘附近的回流区域,压力分布结果显示出从前缘开始很好的压力梯度。将使用压力计得到的数据域S3F结果进行比较,其一致性约为2Pa。

S3F8

为论证S3F在测量空气动力学微小力的精度,我们设计了喷嘴喷射实验。准备大约2mm的喷嘴,便于以不同倾角喷射平板平面,并采集数据。法向与切向形变结果如图。沿喷嘴平行线方向的法向切向形变被提取并转换为压力与表面摩擦力,与压力计测量值作比较。喷嘴在低速下表面压力最大为40Pa,两种测量方法误差小于2Pa或满量程5%,此例中S3F空间分辨率只是喷嘴直径的十分之一或0.2mm。一般说来,S3F空间分辨率约为油膜厚度的五分之一(可小于0.1mm)。最后,表面摩擦数据显示区域的零剪切(驻点)与最大压力位置上游的倒流。驻点位置下游,表面摩擦沿着喷嘴主要轴向。表面摩擦数据的定量比较尚不可能。

为定量评估S3F精度,我们在全开放式风洞进行实验,它能为S3F传感器测量表面摩擦力提供完美的验证环境。风洞中的表面摩擦力可通过监测压力梯度确定,或理论上通过监测雷诺数与泊肃叶流动关系获得。

S3F-ChannelFlow

风洞由150x24x1.72mm腔体构成,丙烯盖板有两个进气口/出气口,同时有两个监测口以测量流入口顺流方向150mm高度的压力梯度。在不同流量下采集油膜在两个压力口之间区域的数据,流量可通过质量流量控制器调节,这样可确定雷诺数。两种相关厚度油膜的剪切模量分别是312Pa与3035Pa。

S3F-ReynoldsNumber

见S3F,表面摩擦力梯度与雷诺数对照图,同时带有泊肃叶流关系。 图中表面摩擦力范围从0.5Pa到70Pa。压力度,泊肃叶流与S3F表面摩擦力测量具有很好的一致性(好于满量程5%)。此结果表明S3F可定量表面摩擦力。S3F项目一个焦点是针对表面摩擦力二维点测量开发小型的传感器包,理想的频率响应为几千Hz。这种包可以在风洞,水洞或流场测试(飞行或航行)中有效使用。这种点传感器测量应用一个早期的实验由Penn State University12英寸水洞实现,实验具有高雷诺数的边界层。

S3F-2dPointSensorTunnel

二维点传感器实验蓝本是开发用来适应现有12英寸水洞测试段的。窗口设计为76mm直径孔洞,以接收传感包数据,传感包包括S3F,光源,照相系统。S3F腔体为30mm直径,1mm深。腔体通过从塞子中心镗孔得到,并在表面以下1mm安装窗口以形成底部腔体。窗口后面,若干LED光源照射S3F,一个基于USB的小型CCD相机同时记录油膜表面形变。

S3F-SkinFrictionComp

风洞速度设置为4m/s,每增加2m/s采集一次数据,直到12m/s(雷诺数2-6百万)。每幅图像都与无风图像做互相关,确定二维切向位移,并转换为表面摩擦力。结果通过流阻平衡列在表中。流阻平衡数据由S3F上方边界层的激光多普勒流速仪确认。S3F测量结果与流阻平衡得到的结果有相当好的一致性。数组的均方根偏差小于流阻平衡测得的表面摩擦力值满量程的5%。传感器精度可通过使用若干数据点的当地校准得到改善。表格中也列出了修正后的数据。与测量精度相关的原地校准需要剪切模量与硬膜厚度可测。测量这些量的先进方法目前正在研发之中。