[发明专利]一种油膜干涉表面摩擦应力测量方法有效

专利信息
申请号: 201510122432.4 申请日: 2015-03-19
公开(公告)号: CN104697705B 公开(公告)日: 2017-03-08
发明(设计)人: 刘志勇;张长丰 申请(专利权)人: 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
主分类号: G01L11/02 分类号: G01L11/02;G01M9/06
代理公司: 成都九鼎天元知识产权代理有限公司51214 代理人: 沈强
地址: 621000*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 油膜 干涉 表面 摩擦 应力 测量方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及试验流体力学技术领域,本发明公开了一种油膜干涉表面摩擦应力测量方法。

背景技术

摩擦阻力在飞行器的设计中占有非常重要的地位。对于商业飞机而言,在巡航状态时摩擦阻力几乎占到总阻的40%~50%,有评估认为减少1%的阻力大约可以增加10名乘客[1],无论是从经济效益还是节能环保方面来说,减阻都是非常重要的;对于高超声速带动力飞行器而言,摩擦阻力占到了总阻的30%,直接关系到飞行器是否可以获得正推力以及设计方案是否成功;对于超高声速再入滑翔类武器而言,摩擦阻力的大小直接影响其射程,关系到武器设计的成败。

传统的模型表面摩擦应力测量技术有摩阻天平、Preston管等方法,这些方法需要在实验前进行仔细的校准,在实验后对测量数据进行修正,因此整个实验非常繁复,测量误差较大。尤其是在高超声速风洞实验中,由于来流速压较小,模型表面的摩擦应力只有几帕斯卡到几十帕斯卡,基于应变原理的传感器很难测量准确。而Preston管等一些方法需要用探针测量靠近壁面的压力分布,探针直接插入流场,对探针附近的流动不可避免的产生干扰。因此需要发展非插入、更准确的测量方法。近二十年来得到大力发展的测量方法主要有MEMS、剪切液晶和油膜干涉(Oil Film Interferometry)。

其中油膜干涉方法能适应较大速度范围的流动情况。它是一种非插入、不需要校准、能应用于曲面的摩擦应力测量方法,分辨率较高。除此之外,它对模型的加工要求不高。油膜干涉方法的主要原理为,覆盖在模型表面的油膜,受边界层的剪切作用会形成楔形形状,其厚度随时间的变化率主要与表面摩擦应力有关。油膜的厚度通常在微米量级,对流场基本没有干扰,可以通过光学干涉的方法准确测量。

当入射光(波长为λ)照射模型表面时,分别在空气/油膜界面和油膜/模型界面上发生反射。两道反射光在无穷远或相机透镜的聚焦下相互干涉,光强相长或相消,表现为黑白相间的条纹。

1962年Squire提出的薄油膜公式给出了油膜厚度与摩擦应力的关系(见公式1)。Tanner等人首次将其应用于干涉法摩擦应力测量。Zilliac提出用油滴代替油线,将之应用于三维流动,用前缘附近两三道条纹求解摩擦应力大小,用油滴流动方向指示摩擦应力的方向。

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