CN116067612B - 利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法 - Google Patents

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Abstract

利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，属于风洞试验技术领域。其包括：布置光学相机和照明装置，对准模型待测区域；用滴管量取液体溶剂至试管中，用电子天平称取固态升华物质至称量纸上，固态升华物质倒入试管，升华物质完全溶解，形成透明溶液；将透明溶液均匀喷涂在模型的测量区域，形成升华涂层；固定模型后，风洞开始吹风，待转捩位置稳定，升华涂层不再变化后，停止吹风；用刻度尺测量转捩位置，并拍照记录。目的是为了提出利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，升华涂层能够在大型超声速流场中显示出转捩位置，并且不影响流动转捩机制，本发明的升华涂层均匀性更好，转捩分界线清晰，准确性更高。

Description

利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法
技术领域
本发明涉及利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，属于风洞试验技术领域。
背景技术
流动从层流到湍流的转捩问题长期以来是空气动力学领域的热点问题。由于湍流产生的摩擦阻力远大于层流，因此边界层的转捩位置直接影响到飞行器的阻力大小。如何准确评估飞行器的转捩位置是人们非常关注的问题。
风洞试验由于成本低、效率高、能够比较真实地反应转捩现象，是目前进行边界层转捩位置评估的主要手段。升华法作为传统的边界层转捩位置测量技术，具有简单、快速、操作成本低的优点，在风洞试验中得到了广泛应用。其基本原理为：将具有升华特性的化学固态物质均匀涂在模型表面，在暴露于自由来流的过程中，剪应力大/温度高的物面区域，升华速度快，剪应力小/温度低的区域，升华速度慢。由于湍流区的剪应力和热交换速率远大于层流区，因此湍流区的涂层会更早消失，从而显示出转捩分界线。
随着新一代超声速民机研究热潮的兴起，层流减阻技术成为提高超声速飞机气动效率的一项核心技术，对超声速流动的转捩测量需求也随之增多。尽管低速/亚声速风洞的升华法已经十分成熟，但其应用在超声速风洞中却存在着诸多困难。一是在超声速流场中，来流速度高，剪应力大，传质作用会加快升华；同时来流温度低于模型温度，传热作用会减慢升华。两种升华机制形成了对立，使得以往的经验不再奏效。二是常规超声速风洞都是暂冲下吹式，受制于气源容积，风洞运行时间一般在几十秒量级，实验中必须在有限的时间里让升华过程趋于稳定。
因此，目前很少有Ma数高于1.5的升华测量结果，亟需提出利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明研发目的是为了提出利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，解决该升华法形成的升华涂层能够在大型超声速流场中显示出转捩位置，并且不影响流动转捩机制的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，包括以下步骤：
S1，布置光学相机和照明装置，对准模型待测区域，调节光学相机光圈和焦距，使视场清晰；
S2，用滴管量取液体溶剂至试管中，用电子天平称取固态升华物质至称量纸上，将称量纸上的固态升华物质倒入试管，拧紧试管盖，然后将试管放置在漩涡混合器上进行充分混合，至升华物质完全溶解，形成透明溶液；
S3，使用高压气泵和喷枪，将透明溶液均匀喷涂在模型的测量区域，形成升华涂层；
S4，固定模型至待测试验状态后，风洞开始吹风，通过光学相机实时监控模型表面升华涂层变化，待转捩位置稳定，升华涂层不再变化后，停止吹风；
S5，打开风洞，用刻度尺测量转捩位置，并用摄像设备进行拍照记录。
优选的：所述固态升华物质为萘。
优选的：所述液体溶剂为氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物，即VertrelSDG。
优选的：所述萘与氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物的混合比例为1g：10ml。
优选的：所述喷枪喷嘴口径在0.6mm-1.0mm之间。
优选的：所述高压气泵产生的喷涂空气压力在0.1-0.3Mpa。
优选的：所述喷枪与模型的距离在20cm-40cm之间，并且采用横竖交叉、少量多次方式进行喷涂。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明当转捩位置稳定，升华涂层的不再变化后，形成的升华涂层呈粉状，无大颗粒结晶，均匀性更好；
2.本发明的升华涂层厚度很薄，并且远小于边界层厚度，对转捩过程不造成干扰；
3.本发明的转捩分界线清晰，容易辨识，试验的准确性更高；
4.本发明的利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，风洞吹风时间仅需30秒左右，升华过程就趋于稳定，转捩位置分界线基本不再变化，实现效率更高；
5.本发明所用的液体溶剂更加安全且环保，大大降低了化学试验试剂对试验操作的身体损害。
附图说明
图1是利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法的流程图；
图2是利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法的试验状态图，其中a为湍流区，b为层流区，c为机翼前缘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，包括以下步骤：
S1，布置光学相机和照明装置，对准模型待测区域，调节光学相机光圈和焦距，使视场清晰，所述模型为大型超声速风洞流动转捩位置观测的待观测模型；
S2，用滴管量取一定体积的液体溶剂至试管中，用电子天平称取一定质量的固态升华物质至称量纸上，将称量纸上的固态升华物质倒入试管，拧紧试管盖，然后将试管放置在漩涡混合器上进行充分混合，至升华物质完全溶解，形成透明溶液，所述固态升华物质为萘，所述液体溶剂为氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物，又称Vertrel SDG；
S3，使用高压气泵和喷枪，将透明溶液均匀喷涂在模型的测量区域，形成升华涂层：喷涂溶液时喷枪的口径、出口压力和流量要适中，不宜过大或过小，故所述喷枪喷嘴口径在0.6mm-1.0mm之间，所述高压气泵产生的喷涂空气压力在0.1-0.3Mpa，即0.2Mpa左右，所述喷枪与模型的距离要适中，不宜过远或过近，故喷枪与模型的距离在20cm-40cm之间，并且采用横竖交叉、少量多次方式进行喷涂，来提高涂层的均匀性，升华涂层呈粉状，无大颗粒结晶；
S4，固定模型至待测试验状态后，风洞开始吹风，通过光学相机实时监控模型表面升华涂层变化，待转捩位置稳定，升华涂层不再变化后，停止吹风；
S5，打开风洞，用刻度尺测量转捩位置，并用摄像设备进行拍照记录，如图2所示，为本是实施方式的实验状态图，即试验结果，图2中，从上至下可依次清晰看出湍流区a、层流区b和机翼前缘c，使转捩分界线清晰，容易辨识，试验的准确性更高。
本实施方式的光学相机可通过数据线连接到风洞测控大厅的计算机，试验人员只需通过相机进行远程观察，当升华过程趋于稳定，即转捩位置分界线基本不随时间发生变化后，即可停止吹风。
当本实施方式在马赫数2.0条件下，萘与氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物的混合比例为1g：5ml时，在保证均匀性较好的条件下，涂层较厚，所需吹风时间长。
当本实施方式在马赫数2.0条件下，萘与氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物的混合比例为1g：20ml时，在保证均匀性较好的条件下，由于测量区域较大，喷涂时间很长。
当本实施方式在马赫数2.0条件下，萘与氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物的混合比例为1g：10ml时，在保证均匀性较好的条件下，喷涂时间短，所需吹风时间短，试验效率高，且转捩测量效果好，满足试验要求，故优选此混合比例为升华法试验最优比。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，布置光学相机和照明装置，对准模型待测区域，调节光学相机光圈和焦距，使视场清晰；
S2，用滴管量取液体溶剂至试管中，用电子天平称取固态升华物质至称量纸上，将称量纸上的固态升华物质倒入试管，拧紧试管盖，然后将试管放置在漩涡混合器上进行充分混合，至升华物质完全溶解，形成透明溶液；
S3，使用高压气泵和喷枪，将透明溶液均匀喷涂在模型的测量区域，形成升华涂层，升华涂层呈粉状；
S4，固定模型至待测试验状态后，风洞开始吹风，通过光学相机实时监控模型表面升华涂层变化，待转捩位置稳定，升华涂层不再变化后，停止吹风；
S5，打开风洞，用刻度尺测量转捩位置，并用摄像设备进行拍照记录；
所述固态升华物质为萘；
所述液体溶剂为氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物，即VertrelSDG；
所述萘与氢氟烃与反-1,2-二氯乙烯的工程混合物的混合比例为1g：10ml。
2.根据权利要求1所述的利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，其特征在于：所述喷枪喷嘴口径在0.6mm-1.0mm之间。
3.根据权利要求2所述的利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，其特征在于：所述高压气泵产生的喷涂空气压力在0.1-0.3Mpa。
4.根据权利要求3所述的利用升华法实现大型超声速风洞流动转捩位置观测的方法，其特征在于：所述喷枪与模型的距离在20cm-40cm之间，并且采用横竖交叉、少量多次方式进行喷涂。
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