[发明专利]一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置与方法

说明书

提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，由悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板构成。待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；在右侧悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致；由点激光源发出的激光束经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上；数码相机起到记录白板上激光位置变化的作用。还提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法。本发明抗电磁干扰能力强、测量结果可靠性高。

技术领域

本发明涉及气动摩擦阻力测量领域，尤其是在强电磁干扰下，对微小的附面层摩擦阻力进行精确和可靠光学测量的方法和装置。

背景技术

当物体在空气中运动时，其表面存在着一个速度逐渐增大的薄层，叫做附面层。根据雷诺数的不同，附面层存在着两种不同的流动状态，一种为低雷诺数下的层流状态、另一种为高雷诺数下的湍流状态。对于飞机、风机和汽车等工程应用场合，雷诺数大约为10⁶-10⁷，因此附面层的流动状态主要是湍流。湍流边界层与层流边界层相比，内部存在着大量的无规则脉动，因此速度剖面更加饱满，壁面处的湍流粘性摩擦阻力也要远远高于层流摩擦阻力。为了减小飞行器和汽车在运动过程中的气动阻力，可以采用等离子体气动激励，其基本原理是通过高压放电诱导产生可控扰动，这些扰动跟湍流边界层进行耦合作用可以有效减小湍流脉动强度，进而降低湍流摩擦阻力。但在高压放电过程中，存在着强烈的电磁干扰(放电电压：10kV量级)，因此对于等离子体气动激励作用下的摩擦阻力测量至今仍是个难题。现有的测量手段，如微力传感器、热膜切应力传感器、热线探针等均依赖于mV级微弱电信号的处理，在强空间电磁干扰下设备极易损坏。此外，即便是通过多层屏蔽手段保证了上述传感器的安全，测量信号中混杂的电磁干扰信号也会改变有效信号的幅值，导致测量结果失真、不可靠、重复性差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，包括悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板；其中

待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；在右侧悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致；由点激光源发出的激光束经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上；数码相机的镜头大致正对着白板上的激光束投影位置，数码相机起到记录垂直白板上激光位置变化的作用。

还提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，具体步骤如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，激光光束按照“无风状态”进行传播，用相机记录激光光斑在平板上的位置，用“A”标识；

步骤2：运行风洞；由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，导致悬线和反光镜向右摆动，这将使激光束方向上偏；

步骤3：用相机记录“有风状态”下的激光光斑位置；理论上，“有风状态”下的激光光斑位置将位于“无风状态”的上部，其位置用“B”进行标识；光斑A和B之间的竖直距离Δy跟反光镜的角度变化呈正比，而反光镜的角度变化又与待测阻力平板向右偏离的位置呈正比，故光斑位移能够反映待测平板所受附面层摩擦阻力f大小；

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δy之间的关系进行数学推导，根据光路参数计算准确的摩擦阻力数值；给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；L为反光镜至平板之间的距离。