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恒温测量:研究湍流边界层流的工具
 
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恒温测量:研究湍流边界层流的工具

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边界图层是紧邻流场中实体表面的细流区域。边界层外的流量区域,称为自由流区域具有恒定速度。但是,在边界层内,由于表面摩擦,存在速度梯度。边界层通常经历几个阶段。

首先为层状边界状态,然后是过渡状态,最后是湍流边界层状态,它涉及不规则的流动和波动,如混合或涡流。边界层是计算飞机皮肤摩擦阻力的基础。

皮肤摩擦阻力是在边界层内产生的,是由于表面施加的粘性剪切应力造成的。皮肤摩擦阻力与流体动态粘度、mu和局部流智速剪切应变率成正比,这是正常方向的流速梯度。因此,它变得重要的大面积,如飞机机翼。此外,在湍流中,皮肤摩擦阻力较高,因为流体颗粒以高动量与表面相互作用。

测量湍流边界层特性的一种方法是使用热线电流测量,该测量基于与热导线上的流量冷却效应相关的两个原理。根据第一原理,当流体流过热表面时,对流热系数会发生变化,从而导致表面温度的变化。

第二个原则是焦耳定律,该定律规定,电导体散热Q与施加在导体上的电流(I)的平方成正比。我们可以利用这两个原理来确定加热金属线探头周围的流体流动速度,通过测量电势E,必须应用,以保持导线的恒定温度。

常用的热线技术是恒温测量或 CTA。CTA 由一条非常薄的金属线组成,称为探头,它连接到惠斯通桥的臂上。惠斯通桥控制电势并根据需要进行调整,以保持导线的恒定温度。任何冷却都是由导线周围的流体流动引起的。因此,电位的变化是传热系数的函数,扩展是速度的函数。

在本实验中,我们将演示使用恒温消融设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。组件如图所示已连接。首先,打开热线电源、信号发生器和示波器。设置信号发生器,为惠斯通桥提供 150 mV 振幅和 10 kHz 频率的方波输入。

观察示波器中的输出信号,以确保频率和振幅正确。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 mph。气流稳定后,测量示波器上观察到的信号过冲的宽度。使用此方程使用 tau 的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桥的电势之间的相关性。首先,向垂直方向升起 CTA 探头,使其位于自由流区域中。启动风洞控制软件,然后启动虚拟仪器软件。将采样速率设置为 10 kHz,将采样数设置为 100,000。

现在,当风洞的空速设置为 0 mph 时,记录惠斯通桥上的电压。然后,以 3 mph 的增量将风洞空速增加到 15 mph,测量每个增量时的电压。在记录电压测量值之前,请确保让气流稳定。

接下来,以 5 mph 的增量将风洞空气速度提高到 60 mph,以每个增量测量电压。完成所有测量后,将空速降至 30 mph,然后关闭风洞气流。

使用与之前相同的设置,缓慢降低 CTA 探头,直到它接触测试部分地板,该测试部分将充当平板。将气流设置为 40 mph。将采样频率保持在 10 千赫,将样本数保持在 100,000。在最低价垂直设置(位于平板旁边和边界层中)记录电压。

现在,以 0.05 mm 的步长垂直移动探头,高度为 0。5 mm,记录每个位置的电压读数。然后,以 0.1 mm 的增量将探头高度增加到 1。5 毫米然后以 0.25 mm 到 4 mm 的最终高度,同时记录每个增量的电压。

进行所有测量后,将风速降低至 20 mph,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利用实验校准过程中获得的数据,确定热线电压与空气速度之间的相关性。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,在本视频的附录中详细介绍了该方法。

确定数学关系后,使用电压测量值计算每个垂直高度的速度。调整标称高度以考虑过弯探头的任何伪影后,绘制速度曲线 u(y),然后可用于确定边界层位移厚度。

此值表示板必须垂直移动才能获得曲面和流体之间相同的流速的距离。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,以便流体和板之间存在相同的动量)。

通过这两个参数,我们可以计算形状因子 H。形状因子用于确定流的性质,其中形状因子约 1.3 表示完全湍流,约 2.6 表示层流。这些值之间是过渡流。在本实验中,形状因子计算为1.9,表示过渡流。

综上所述,我们了解了边界层流的发展,然后使用恒温测温设置来分析平板上的湍流边界层,并观察低行为。

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