恒温热线风速仪：研究湍流边界层流动的工具

1. 热线系统动态响应的测定

该实验的目的是了解风速计系统对流动信号变化的响应速度。通过施加方波信号并测量信号开启和关闭时的频率响应，来评估这一性能。

1. 使用支撑杆将 CTA 系统的热线探头固定在风洞内部。
2. 设置直流电源、信号发生器和示波器，并按照图 2(a) 所示方式连接。信号发生器向惠斯通电桥提供方波输入信号，输出波形在示波器上显示。
3. 打开热线电源、示波器和信号发生器。
4. 设置信号发生器输出幅值为 150 mV、频率为 10 kHz 的方波信号。
5. 在示波器上观察输出信号，确保输出波形的频率和幅值正确。
6. 关闭测试段并插入串口。启动风洞，并将气流速度设定为 40 mph。
7. 待气流稳定后，从示波器测量信号超调的宽度 τ。参见图 3 中对 τ 的定义。
8. 利用测得的 τ 值，通过公式 f_cut = 1/1.5τ 计算热线系统的截止频率。
9. 关闭风洞。

2. 热线校准

该实验的目的是建立气流速度与惠斯通电桥电势之间的相关性，从而实现对流体速度的测量。

1. 调整热线探针至垂直位置，使其远离平板（本实验中为风洞底板），确保探针位于自由流区域。
2. 启动风洞控制软件。
3. 打开虚拟仪器软件，将采样频率设置为 10 kHz，采样点数设置为 100,000。这些参数由待测流场的流动特性决定，具体数值可能根据目标统计量的收敛性要求而有所调整。
4. 将风洞风速设为 0 mph，记录惠斯通电桥上的电压值。
5. 以 3 mph 为增量逐步提高风洞气流速度，直至达到 15 mph。在每一速度点需等待流动稳定后再进行电压测量。
6. 以 5 mph 为增量继续提高风洞气流速度，直至达到 60 mph，并在每个增量点测量电压值。
7. 完成所有测量后，先将气流速度降至 30 mph，然后关闭风洞。

图3. 方波测试期间在示波器上观察到的信号过冲宽度 τ 的示意图。

3. 边界层测量

1. 采用与之前实验部分相同的装置，缓慢降低热线探头，直至其接触测试段底部，该底部将作为平板使用。
2. 启动风洞，将气流速度设为 40 mph，采样频率设为 10 kHz，采样点数设为 100,000，与之前相同。
3. 记录探头处于最低垂直位置时的电压读数，该位置靠近平板，位于边界层内。
4. 将探头垂直向上移动，以 0.05 mm 为步长，逐步升高至 0.50 mm 高度，并记录每一垂直位置的电压读数。
5. 以 0.10 mm 为步长继续升高探头至 1.50 mm 高度，并记录每一垂直位置的电压读数。
6. 以 0.25 mm 为步长继续升高探头至最终高度 4.00 mm，并记录每一垂直位置的电压读数。
7. 完成所有测量后，将气流速度降至 20 mph，随后关闭风洞、CTA、电源、示波器以及函数发生器。