恒温测量:研究湍流边界层流的工具

边界层是流场中紧邻固体表面的薄流区域。边界层外的流动区域（称为自由流区域）具有恒定速度。然而，在边界层内，由于表面的摩擦，存在速度梯度。边界层通常经历几个阶段。

首先是层流边界状态，然后是过渡状态，最后是湍流边界层状态，它涉及不规则流动和波动，如混合或涡流。边界层是计算飞机蒙皮摩擦阻力的基础。

集肤摩擦阻力是在边界层内产生的，是由于施加在表面上的粘性剪切应力造成的。蒙皮摩擦阻力与流体动力学粘度 mu 和局部流向速度剪切应变率成正比，该速率是法向流向速度的梯度。因此，它对于大面积区域（例如飞机机翼）变得非常重要。此外，湍流中的蒙皮摩擦阻力更高，因为流体粒子以高动量与表面相互作用。

测量湍流边界层属性的一种方法是使用热线风速法，它基于与流动对加热丝的冷却效应相关的两个原理。根据第一个原理，当流体流过热表面时，对流热系数会发生变化，从而导致表面温度发生变化。

第二个原理是焦耳定律，它指出电导体的散热量 Q 与施加到导体上的电流的平方 I 成正比。我们可以使用这两个原理来确定加热的金属丝探针周围的流体流动速度，方法是测量电势 E，必须施加电势 E 才能保持金属丝的恒定温度。

一种常用的热线技术是恒温风速计或 CTA。CTA 由一根非常细的金属丝组成，称为探针，它连接到惠斯通电桥的臂上。惠斯通电桥控制电位并根据需要进行调整，以保持整个导线的恒定温度。任何冷却都是由金属丝周围的流体流动引起的。因此，电势的变化是传热系数的函数，进而是速度的函数。

在本实验中，我们将演示使用恒温风速计装置来测量平板上的湍流边界层。

首先，我们将了解恒温风速计 （CTA） 系统如何使用风洞响应流量信号变化。首先，使用支撑轴将 CTA 系统的热线探头固定在风洞内。

然后，设置直流电源、信号发生器和示波器。组件将如图所示进行连接。首先，打开热线电源、信号发生器和示波器。将信号发生器设置为向惠斯通电桥提供振幅为 150 mV、频率为 10 kHz 的方波输入。

观察示波器中的输出信号，确保频率和幅度正确。现在关闭测试部分，插入串行电缆，打开风洞并将风速设置为 40 英里/小时。气流稳定后，测量在示波器上观察到的信号过冲 tau 的宽度。使用此公式的 tau 测量值计算热线系统的截止频率。然后关闭风洞气流。

接下来，我们将建立风速与惠斯通电桥电位之间的相关性。首先，沿垂直方向抬起 CTA 探针，使其位于自由流区域。启动风洞控制软件，然后启动虚拟仪表软件。将采样率设置为 10 kHz，将采样数设置为 100,000。

现在，将风洞空速设置为 0 mph，记录惠斯通电桥上的电压。然后，以 3 mph 的增量增加风洞空速，最高可达 15 mph，测量每个增量的电压。在记录电压测量之前，请务必让气流稳定下来。

接下来，以 5 mph 的增量将风洞风速提高到 60 mph，并测量每个增量的电压。完成所有测量后，将空速降低到 30 英里/小时，然后关闭风洞气流。

使用与以前相同的设置，缓慢降低 CTA 探针，直到它接触到测试截面地板，该地板将充当平板。将气流设置为 40 mph。将采样频率保持在 10 kHz 左右，将样本数保持在 100,000 个。记录最低垂直设置的电压，该设置位于平板旁边和边界层中。

现在，以 0.05 mm 的步长垂直移动探头，直到高度为 0。5 mm，记录每个位置的电压读数。然后，以 0.1 mm 的增量增加探针高度，最高可达 1 高度。5 毫米。然后以 0.25 mm 的步长直到 4 mm 的最终高度，同时记录每个增量的电压。

完成所有测量后，将风速降低到 20 英里/小时，然后关闭气流。然后关闭电源、信号发生器和示波器。

分析数据的第一步是使用在实验校准步骤中获得的数据来确定热线电压和风速之间的相关性。有几种不同的方法可以做到这一点，其中包括将数据拟合到已知的传热关系，本视频的附录中对此进行了详细介绍。

确定数学关系后，使用电压测量值计算每个垂直高度处的速度。在调整标称高度以考虑过度弯曲探针的任何伪影后，绘制速度分布 u（y），然后可用于确定边界层位移厚度。

该值表示板必须垂直移动的距离，才能获得表面和流体之间产生的相同流速。我们还可以计算动量厚度，如图所示，即板必须垂直移动的距离，才能在流体和板之间产生相同的动量。

根据这两个参数，我们可以计算出形状因子 H。形状因子用于确定流动的性质，其中形状因子约为 1.3 表示完全湍流，约为 2.6 表示层流。这些值之间是过渡流。在这个实验中，形状因子被计算为 1.9，表示过渡流。

总之，我们了解了边界层流动的发展，然后使用恒温风速计设置来分析平板上的湍流边界层并观察低行为。