[发明专利]一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置

说明书

本发明公开了一种倒V字型飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，包括实验测量管路支撑平台、设置在支撑平台上的测量管路主耙体，所述耙体上设置有若干进气管路和出气管路，该实验装置安装在待测飞行器实验模型表面，通过合理设置测压耙的倒V字型几何外形，可降低测压耙体对流场的直接干扰，且利用倒V字型测量耙体两路分支交错布置测压管路从而可提高附面层内速度型测试数据准确性和可靠性，还可合理调整两路分支测压管路与被测飞行器实验模型表面的距离分布函数，解决传统测压耙测试数据空间分辨率难以提高和安装操作复杂等问题。

技术领域

本发明属于航空航天中的实验力学技术领域，具体涉及一种倒V字型的飞行器近壁面气流附面层厚度测量实验装置，主要用于飞行器实验模型近壁面附近的附面层厚度的准确测量与流动特性数据的获得。

背景技术

空气从航空航天飞行器物体表面流过时，贴近物体表面始终存在一层速度分布不均匀的薄层区域，在航空航天领域和流体力学研究范畴，将区域称之为飞行器物体流动的附面层。依据普朗特提出的定理和国内外学者的普遍认同，工程上通常把物体表面流体速度小于等于0.99倍外流速度的区域的厚度定义为附面层厚度(庄礼贤等，流体力学，第二版，P306)。在附面层内部区域，流体的粘性起主导作用，且作用非常显著，导致气流沿垂直飞行器物体表面的法向速度梯度较大，速度变化较为明显；而在附面层以外区域内的气流受物体壁面和流体粘性的影响较弱，法向和流向速度受壁面影响较小。因附面层紧贴飞行器物体表面，特别是附面层厚度和流动形态直接影响飞行器近壁面区域的流动特性，对飞行器的升力、阻力等气动力特性影响也很大，故而飞行器近壁面附面层区域的速度分布测量具有十分重要的意义。长期以来，如何更加准确测量附面层厚度和流动形态，一直是航空航天技术领域和流体力学研究领域的一个研究热点和重点。

目前，用于飞行器近壁面气流附面层厚度测量估算的方式主要有数值计算和实验测量两种方式，数值计算方法主要通过模拟飞行器近壁面的流动特征获取流场参数(主要是获得物体近壁面附近区域的法向速度分布)，并依据附面层厚度的定义来估算附面层厚度；实验测量手段主要依靠测压耙测量飞行器近壁面区域内法向上不同高度的压力，并通过公式计算气流速度在法向上的分布，并依据附面层厚度的定义来确定附面层厚度。

然而数值计算方法的主要缺点在于：在进行附面层估算之前，必须提供飞行器计算区域入口精确的来流参数和边界条件(往往入口的湍流特性数据和流动参数很难给予准确)，再加上由于附面层较薄，速度梯度较大，需要大规模网格进行精细模拟，导致计算效率较低且难以给出准确可靠的模拟数据；为此，采用测压耙进行飞行器近壁面区域的速度分布测量，进而解算获得附面层厚度和流动形态成为了一种较为实用普遍的技术手段，其主要的技术路径和方法如下：测压耙实验装置由垂直于物体表面并且正对来流方向的一排通气管路组成，通气管路所测来流总压与物体表面静压之比对应附面层区域的速度分布，通气管路之间的间隔决定了附面层区域速度分布测试的空间分辨率。传统测压耙为单排或多排通气管路，为了保证测量数据的准确性，通气管路内径要远大于圆管内部粘性影响区域，以保证圆管的通气性良好，避免管内气流不通造成的数据失真。

传统的单排测压耙实验装置主要存在两点不足，一是由于通气管路的管壁存在一定厚度，通气管路外径大于其内径，因此每相邻通气管路的间隔最小为圆管外径，导致传统测压耙测量的附面层区域速度分布的空间分辨率受到圆管外径限制；二是传统测压耙通气管路之间距离无法取消，否则通气管路之间会对彼此测试数据产生干扰，进一步限制了测试数据空间分辨率的提高；采用多排测压耙能够较精确获得飞行器近壁面区域的速度型分布，但多排测压耙测量实验装置存在多个部件，部件间在安装布置时要相互协调，进而影响了测压耙的实用性和操作方便性，对测试数据的准确性也有一定影响。因此，传统测压耙实验装置限制了附面层速度分布空间分辨率的提高，也限制了测压耙实验装置在飞行器进气管道、飞机狭缝及腔体类结构附面层测量与流动特性数据获取中的实用效果。

参考文献：

1.刘俊，杨党国，王显圣，等，湍流附面层厚度对三维空腔流动的影响，航空学报，2016，37(2)：475-483.