风洞测量方法——压力和热流测量 - 海洋地质热流测量

风洞测量方法

风洞测量方法是在风洞中测量气流参数和模型气动特性的方法。为了通过风洞实验获得飞行器气动特性的数据，既要正确地测量模型的气动特性，还要正确地测量风洞的气流参数。需要测量的模型的气动特性通常有力和力矩、压力分布和热流分布。需要测量的气流参数通常有压力、温度、密度、速度等。在一些特殊实验中还有其他要求测量的项目。在风洞测量中广泛使用小型化、高精度的电信号传感器，高速数据采集和实时处理系统。非接触测量方法因不在流场中插入探测仪器，对流场不产生额外干扰，因而得到越来越多的应用。

压力测量方法

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风洞测量压力最早采用液体压力计，如 U形管压力计。测量气流总压和静压最常用的是皮托管。在超音速气流中，皮托管前产生正激波，所以只能测量波后总压。现代已广泛采用压力传感器来测量压力。压力传感器的种类很多，按变换原理可以分成电阻应变式、电容式、电感式、振膜式、固态压阻式和压电式等。在高超音速风洞中遇到非常低的压力时，多采用振膜式或固态压阻式传感器。压电传感器主要用于脉冲式风洞或用于测量瞬态压力。测量多点压力时则广泛使用压力传感器和压力扫描阀组成的测压系统或者电子扫描压力测量系统。

温度和热流测量方法

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对于高速流动的气流，需要确定气流的总温和静温。气流总温低于2000K时,可用总温探针来测量总温，而气流静温一般根据总温和马赫数来推算。总温探针的测温元件在温度较低时可用热敏电阻，温度较高时用铜-康铜、 镍铬-镍铝热电偶。铂-铂铑热电偶可测高达 2000K的温度。物面温度除用热电偶测量外，还可用感温涂料或相变涂料作为敏感元件，其测量范围从室温到数百 K，测量精度稍低，但信息量大。采用红外照相技术可以测量从室温到 1200K范围内的表面温度分布，这种方法不会干扰流场而且信息量大。

对于1200～4000K范围内的气流温度和表面温度,通常采用辐射高温计、光电高温计、比色高温计等光学测量仪器测量。现代相干反斯托克斯□曼光谱技术(CARS)具有很高的光谱辐射转换率而引起广泛的注意。低密度风洞气流本身不辐射光谱，因此普遍采用电子束探针来激发气体使之电离而辐射出光谱，再用光谱分析方法求出其振动和转动温度。对于风洞传热实验，一般可以采用测量温度随时间的变化率来测量热流。不同类型的风洞往往采用不同型式的量热计。常规高超音速风洞常用薄壁量热计，电弧风洞常用零点量热计，激波风洞常用薄膜电阻量热计。

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密度测量方法

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一般采用光学方法来测量气流的密度。用阴影法、纹影法、干涉法等仅能进行密度的定性测量，而用激光全息照相可以对风洞流场的三维密度分布进行定量测量。全息法是把两列干扰光波（信号波和参考波）所形成的干涉图形用照相方法记录下来，事后只要适当照明全息照片，就能再现“流场”的光波。全息法记录的是流场的全部信息（包括相位差、方向差、光程差），所以事后可对再现的光波进行细致的定量测量。

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速度测量方法

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速度和速度随时间的脉动是表征风洞流场的基本数据。在风洞中常用的测速方法是热线风速仪,它借助于放在流场中的小的热线(通常为直径1～2微米的铂丝或钨丝)或热膜（通常为厚0.1微米的铂膜或镍膜）传热的变化来测量速度。这种仪器特别适用于研究流场的详细情况，既可测定脉动速度，又可测量平均速度，但它不适用于污浊的气流和高温气流。另一种测量气流速度的仪器是激光多普勒测速计(LDV),它是根据光在气流中的多普勒频移的量值与气流速度成正比的原理来测量的。在进行这种测量时，必须利用在气流中自然存在的或人工加入的散射粒子，粒子的大小和浓度必须限制在一定的范围之内。这种测量方法的数据处理复杂，但易于进行二维和三维的测量。

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力和力矩测量方法

作用于模型上的气动力和气动力矩通常可以采用风洞天平直接测量和通过测量自由飞风洞模型的运动情况来测量。自由飞测力是借助于高速摄影机记录模型在风洞中自由飞行的运动轨迹和确定加速度，根据牛顿第二定律来计算气动力和气动力矩。为了使飞行器具有良好的稳定性和机动性，还必须知道作用于模型上的气动力和气动力矩对角位移时间变化率的导数，即动导数。在风洞中，可以通过自由振动或强迫振动的天平来测量动导数，也可以通过模型自由飞试验来反推。

表面摩擦测量方法

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研究粘性流动时常要求测量表面剪切应力，除间接方法外还可采用摩擦天平直接测量，摩擦天平常采用差动变压器或应变传感器、热膜和普瑞斯登管等。

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