本发明专利技术属于风洞实验、测量领域，具体是一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统。该系统安装于风洞的试验段，测试系统包括隔离箱(1)、支撑柱(2)、气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板样品(5)、遮掩板(6)、灵敏气压计(7)、风机(8)、气管(9)、气管接头(10)、集气匣(11)和力传感器(12)；本发明专利技术提供的剪切力测量系统，其结构简单，误差可控，通过设置遮掩板实现风洞近壁附面层切除与窗口化测量，设置隔离箱隔离外界干扰。该发明专利技术可以实现高分辨力的精确力值测量，即可以实现小面积样品气动剪切力直接测量。面积样品气动剪切力直接测量。面积样品气动剪切力直接测量。
【技术实现步骤摘要】
一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统
[0001]本专利技术属于风洞实验、测量领域，具体是一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统。
技术介绍
[0002]平板样品在风洞中的剪切力测量一直都是实验流体力学领域即重要又基础的问题，其精确测量有利于流体近壁发展、边界层理论、减阻等领域的研究。而其中一个难点在于精确并直接地测量平板样品的剪切力。过去在风洞中实现平板剪切力直接测量时，为了使力值容易被读取，会将样品面积做的较大，因为更大的样品会产生更大的气动剪切力。但是大面积的方案既不利于实验的便利性，也可能引入更多的限制因素，例如压差导致的误差、表面流场压力分布不均引起的误差等，而分辨力受制于仪器原理往往难以提高。如果使用例如油膜法、热膜法、热线法等间接方法测量剪切力时，这些方法引入的诸多基础性假设会带来系统误差，由于测量往往关注局部位置的剪应力，其在概念上无法与剪切力直接测量做到完美的匹配，更不用提测量过程中繁琐的技术手段和使用复杂昂贵的设备。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是提供一种新式的剪切力测量系统，其结构简单，误差可控，通过设置遮掩板实现风洞近壁附面层切除与窗口化测量，设置隔离箱隔离外界干扰。该专利技术可以实现高分辨力的精确力值测量，即可以实现小面积样品气动剪切力直接测量。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统，安装于风洞的试验段，测试系统包括隔离箱(1)、支撑柱(2)、气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板样品(5)、遮掩板(6)、灵敏气压计(7)、风机(8)、气管(9)、气管接头(10)、集气匣(11)和力传感器(12)；
[0006]所述平板样品(5)置于装载平台(4)上；所述气浮导轨(3)由导轨(31)与滑块(32)组成；装载平台(4)固定于气浮导轨(3)的滑块(32)上；导轨(31)通过支撑柱(2)固定于隔离箱(1)箱体底部；所述支撑柱(2)的高度可以进行调整，即气浮导轨连同其上方安装的装载平台(4)和平板样品(5)的高度可以调整；所述传感器(12)安装在支撑柱上，位于滑块(32)下方，但与滑块(32)不接触；所述滑块(32)上安装探针，探针尖端与传感器(12)固定；所述滑块(32)沿导轨(31)方向的受力情况通过力传感器(12)测得；
[0007]所述遮掩板(6)贴合并固定于风洞试验段下壁面的开槽内，其上表面置于风洞试验段空间内部；遮掩板(6)沿来流方向的两端分别向外延伸出整流前缘和整流后缘；所述整流前缘和整流后缘截面通常为刀刃状或椭圆状，如果整流前缘设计为刀刃状，刃的劈角不应大于5
°
；所述遮掩板(6)整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间有高度差d；所述遮掩板(6)内部有一个较大的矩形空腔，其空腔内部容纳所述气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板
样品(5)，所述空腔上表面加工一个较小的矩形开口，使平板样品(5)透过矩形开口暴露在风洞试验段的流场中；当所述气浮导轨(3)通气时，其上安装的装载平台(4)、平板样品(5)可以在空腔中沿导轨方向以极低内阻运动；所述平板样品(5)与遮掩板(6)之间保持极小的间隙s；所述遮掩板(6)矩形开口的边缘为刀刃状；
[0008]所述遮掩板(6)整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间的高度差d，是为了完整切除风洞近壁附面层，高度差d取决于来流附面层厚度δ
*
：
[0009]d＝(1.5～2)δ
*
[0010][0011]式中，x为遮掩板前缘距试验段最前端的距离，假设试验段最前端为试验段内附面层开始生长的位置；V
∞
为试验段中心区气流流速，即风洞实验的设计流速，ν为空气的运动粘度；
[0012]所述遮掩板(6)整流前缘上表面上可选地设置粗糙带或绊线，即示意图A处，使得风洞近壁附面层被切除后，再人为激发形成新的湍流；
[0013]所述平板样品(5)与遮掩板(6)之间的距离s，是为了使二者之间不产生接触，避免风洞内的振动通过接触传递给样品，最终传递给传感器造成误差，同时避免二者接触产生摩擦力造成误差，过大的s会使平板样品与流场之间出现有明显高度差的间隙，也不利于误差控制。s应满足：
[0014]s≤200μm
[0015]所述隔离箱(1)将整个测试系统与大气环境隔离开来；所述集气匣(11)用于收集遮掩板(6)整流前缘在切除风洞近壁附面层后其下方分离出的气体；集气匣(11)的外壁面分别与风洞试验段下壁面上开槽的内壁、遮掩板(6)整流前缘的外壁贴合固定；所述集气匣(11)通过气管(9)、气管接头(10)与风机(8)相连，使得集气匣(11)收集的气体通过风机(8)排出测试系统外部；
[0016]风机(8)的流量q
f
根据遮掩板(6)整流前缘切除截面上的流量q调整：
[0017]q
f
＝Cq
[0018]其中宽容系数C＝1～1.5；
[0019]集气匣(11)切除截面上的流量q为：
[0020][0021]式中，W为遮掩板(6)在流动展向的宽度，V
x
为附面层中速度分布，其函数为：
[0022][0023]式中，V
∞
为试验段中心区气流流速，y为附面层中某点位置距离壁面的法向距离，δ
*
为附面层的计算厚度。
[0024]所述隔离箱(1)是一个立方形的完整箱体，与风洞试验段配合安装，位于风洞试验段的下方，二者在B位置重点设置密封条密封。
[0025]所述灵敏气压计(7)放置在隔离箱(1)内部，用来监测隔离箱的密闭性。风洞开启后，灵敏气压计(7)的读数，即箱内静压应略低于大气压强并维持在稳定范围内。本专利技术的
有益作用是：
[0026]1.传统的风洞剪切力测量方法精度较低，造成精度较低的原因主要集中在：测量原理的限制、误差源较多两个方面。
①
传统方法测量时，将待测平板样品安装在风洞洞壁开槽中或者一块更大的测试平板中部的开槽中，样品与槽边缘平齐，样品下方连接敏感元件，例如连杆、多连杆或易形变的应变梁等结构，受力时通过检测敏感元件的形变、移动、转动角度等，换算获得剪切力的大小，但是形变、移动、转动等可能一同发生的，对于平板样品的风洞测试来说这容易带来误差。
②
传统的测量误差来源可能有很多，例如：平板样品受力后边缘翘曲形成凸出或凹陷，例如凸起边缘在上游来风时将受到直接的力值干扰、样品表面压强的不均匀分布引起的倾翻力矩、表面压力梯度作用在大面积或不平整表面上时造成的次生力值、样品与周围风洞洞体结构装配间隙气流窜动等等，以上都可能对测量结果造成波动。本专利技术的有益作用在于，不同于以前的凹槽式安装方法，本专利技术使用遮掩板覆盖在平板样品上方，留出固定面积的开口，样品暴露在流场中的面积不随样品的微小移动而改变，原本样品和风本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于中小型风洞近壁附面层切除的窗口化平板样品风洞剪切力测试系统，安装于风洞的试验段，其特征在于，测试系统包括隔离箱(1)、支撑柱(2)、气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板样品(5)、遮掩板(6)、灵敏气压计(7)、风机(8)、气管(9)、气管接头(10)、集气匣(11)和力传感器(12)；所述平板样品(5)置于装载平台(4)上；所述气浮导轨(3)由导轨(31)与滑块(32)组成；装载平台(4)固定于气浮导轨(3)的滑块(32)上；导轨(31)通过支撑柱(2)固定于隔离箱(1)箱体底部；所述支撑柱(2)的高度可以进行调整，即气浮导轨连同其上方安装的装载平台(4)和平板样品(5)的高度可以调整；所述传感器(12)安装在支撑柱上，位于滑块(32)下方，但与滑块(32)不接触；所述滑块(32)上安装探针，探针尖端与传感器(12)固定；所述滑块(32)沿导轨(31)方向的受力情况通过力传感器(12)测得；所述遮掩板(6)贴合并固定于风洞试验段下壁面的开槽内，其上表面置于风洞试验段空间内部；遮掩板(6)沿来流方向的两端分别向外延伸出整流前缘和整流后缘；所述整流前缘和整流后缘截面通常为刀刃状或椭圆状，如果整流前缘设计为刀刃状，刃的劈角不大于5
°
；所述遮掩板(6)整流前缘的下表面与风洞试验段内壁之间有高度差d；所述遮掩板(6)内部有一个较大的矩形空腔，其空腔内部容纳所述气浮导轨(3)、装载平台(4)、平板样品(5)，所述空腔上表面加工一个较小的矩形开口，使平板样品(5)透过矩形开口暴露在风洞试验段的流场中；当所述气浮导轨(3)通气时，其上安装的装载平台(4)、平板样品(5)可以在空腔中沿导轨方向运动；所述平板样品(5)与遮掩板(6)之间保持间隙s；所述遮掩板(6)矩形开口的边缘为刀刃状；所述遮掩板(6)整流...
【专利技术属性】
技术研发人员：苑伟政，周文源，黄鼎，张康，王康宁，杨谨宇，何洋，吕湘连，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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