賈永霞， 劉錦生

(1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084; 2. 清華大學(xué) 力學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 北京 100084)

風(fēng)洞是研制飛行器、快速移動(dòng)工具的地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是流體力學(xué)基礎(chǔ)研究的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。清華大學(xué)航天航空學(xué)院的三臺(tái)教學(xué)風(fēng)洞于2016年7月建成，圍繞該風(fēng)洞開展了諸多新穎、趣味、有價(jià)值的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)演示，該風(fēng)洞已經(jīng)成為“流體力學(xué)”“空氣動(dòng)力學(xué)”“實(shí)驗(yàn)室探究課”“大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃”等課程的重要教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)。

顯示技術(shù)是研究復(fù)雜科學(xué)與工程問題的有力工具，是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分。通過各種流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)，可以了解復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，探索其物理機(jī)制，為人們發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象，建立新的概念和物理模型提供依據(jù)[1]。流動(dòng)現(xiàn)象的顯示方法包括實(shí)驗(yàn)顯示方法和數(shù)值顯示方法，前者是通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)直觀上觀察不到的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行可視化；后者是通過數(shù)值計(jì)算并用計(jì)算機(jī)圖像方法進(jìn)行可視化。實(shí)驗(yàn)流動(dòng)顯示方法包括絲線法、煙線法、染色線法、云母晶片示蹤法、氫氣泡法、激光誘導(dǎo)熒光法、粒子圖像法、層析技術(shù)等[2-9]。流動(dòng)顯示技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究具有重要的意義。通過流動(dòng)顯示可以揭示復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)作用于各種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系目諝鈩?dòng)力學(xué)規(guī)律。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)演示中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)可為各種球類、三角翼、非對(duì)稱翼型、民用和軍用飛機(jī)模型以及汽車模型等。本文主要介紹煙線顯示技術(shù)及其在風(fēng)洞教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 煙線流動(dòng)顯示技術(shù)

煙線法基本原理是在細(xì)的金屬絲上涂以甘油、石蠟油等發(fā)煙液體，通電流讓其受熱釋放煙霧顆粒，隨氣流形成可見的煙霧顯示流動(dòng)圖譜。發(fā)煙電阻絲通常選取不銹鋼絲、鎢絲或鎳鉻絲，絲的直徑由流速?zèng)Q定。另外，為了減小絲線對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)，絲線直徑的雷諾數(shù)應(yīng)低于20[3]。通常實(shí)驗(yàn)中，絲線的最優(yōu)直徑大約為0.1 mm。選擇發(fā)煙白、濃密、無毒、無腐蝕性、黏度較大的油如甘油，在電阻絲上會(huì)結(jié)成許多小的油珠。電源采用連續(xù)或脈沖式。發(fā)煙控制裝置控制發(fā)煙時(shí)刻、時(shí)間及煙濃度。采用白光燈照亮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝或者肉眼觀測(cè)。這一方法在定常流動(dòng)中可以顯示流線、脈線、跡線、時(shí)間線，并且可以精確控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)行數(shù)字化處理，可得到瞬時(shí)與平均速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)等統(tǒng)計(jì)量，適合在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中使用。圖1為煙線控制系統(tǒng)示意圖。

圖1 煙線控制系統(tǒng)示意圖

2 教學(xué)風(fēng)洞

教學(xué)風(fēng)洞見圖2，包括低湍流度的回流閉口風(fēng)洞和直流開口風(fēng)洞?；亓鏖]口風(fēng)洞由動(dòng)力段、穩(wěn)定段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)張段、拐角導(dǎo)流片等組成。穩(wěn)定段安裝有蜂窩器和多層阻尼，以提高實(shí)驗(yàn)段的流場(chǎng)品質(zhì)。擴(kuò)張段的擴(kuò)張角小于5°，避免壁面發(fā)生流動(dòng)分離?；亓鏖]口風(fēng)洞的風(fēng)速可達(dá)20 m/s，實(shí)驗(yàn)段截面積為30 cm×30 cm，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為50 cm。直流開口風(fēng)洞的風(fēng)速可達(dá)10 m/s，實(shí)驗(yàn)段截面積為10 cm×10 cm，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為20 cm。

圖2 教學(xué)風(fēng)洞

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

風(fēng)洞中的煙線流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)采用的模型包括不同表面結(jié)構(gòu)的球類(高爾夫球、光滑球)、三角翼、飛機(jī)A380、殲-20和蘭博基尼汽車模型。飛機(jī)A380模型的縮比為1∶450。殲-20模型的縮比為1∶144。蘭博基尼汽車模型的縮比為1∶18。

4 流動(dòng)顯示結(jié)果

4.1 高爾夫球與光滑球流動(dòng)顯示

高爾夫球與光滑球流動(dòng)顯示結(jié)果見圖3。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的流速下，氣流經(jīng)過高爾夫球時(shí)，高爾夫球的分離點(diǎn)晚于光滑球的分離點(diǎn)。飛行的球表面附近出現(xiàn)邊界層分離是由流體的黏性引起。光滑球表面的邊界層分離較早，球的迎風(fēng)面與背風(fēng)面形成的壓差阻力較大。布滿多邊形小坑的高爾夫球飛行時(shí)，小坑附近形成一些很小的旋渦，旋渦中心流體的壓力小，具有吸力的作用，高爾夫球表面的邊界層分離點(diǎn)的位置相對(duì)于光滑球延遲，進(jìn)而壓差阻力減小。在高爾夫球后面所形成的大旋渦區(qū)比光滑球所形成的旋渦區(qū)小很多， 從而使得前后壓差阻力大為減小[10]。因此高爾夫球表面布滿多變性小坑在其飛行時(shí)起到減阻效果。

圖3 高爾夫球和光滑球流動(dòng)顯示結(jié)果

4.2 三角翼流動(dòng)顯示

現(xiàn)代飛行器器(如戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等)為實(shí)現(xiàn)大迎角、超機(jī)動(dòng)飛行和改善過失速機(jī)動(dòng)性能，通常采用三角翼，利用分離渦產(chǎn)生升力，實(shí)現(xiàn)大攻角和超機(jī)動(dòng)飛行[11-12]。三角翼上流場(chǎng)在一定攻角下，沿前緣的分離流形成自由剪切層，剪切層卷起而形成前緣渦，前緣渦誘發(fā)沿展向的逆壓梯度，出現(xiàn)二次分離。前緣渦產(chǎn)生非線性渦升力，提高飛行的穩(wěn)定性。圖4為后掠角為45o的三角翼前緣渦的流動(dòng)顯示，可以觀察到螺旋渦結(jié)構(gòu)向下游的演化過程。

4.3 飛機(jī)及汽車模型流動(dòng)顯示

圖5為殲-20飛機(jī)模型在不同攻角下的流動(dòng)顯示。隨著攻角的增大，座艙表面出現(xiàn)分離，機(jī)身下表面的氣流由下向上繞，形成分離渦結(jié)構(gòu)。圖6為A380飛機(jī)模型在不同攻角下的流動(dòng)顯示。圖7為蘭博基尼汽車模型的繞流流動(dòng)顯示。汽車模型周圍的流線幾乎貼著其表面運(yùn)動(dòng)，其表面流線型設(shè)計(jì)極大地降低了壓差阻力，實(shí)現(xiàn)跑車快速前進(jìn)的性能。

圖4 三角翼模型流動(dòng)顯示

圖5 殲-20飛機(jī)模型流動(dòng)顯示

圖6 A380飛機(jī)模型流動(dòng)顯示

圖7 蘭博基尼汽車模型流動(dòng)顯示

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)洞中的煙線顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高爾夫球、光滑球、三角翼、飛機(jī)及汽車模型周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了流動(dòng)顯示。該可視化技術(shù)為流動(dòng)現(xiàn)象的演示提供了一種可靠的方法，可以顯示風(fēng)洞中對(duì)各種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車牧鲃?dòng)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對(duì)模型設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的流體力學(xué)原理有深入的理解，并對(duì)流體黏性引起的流動(dòng)分離及分離后的流場(chǎng)演化過程有直觀的認(rèn)識(shí)。本實(shí)驗(yàn)將來可通過粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)模型周圍的流動(dòng)進(jìn)行定量測(cè)量與演示。

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