第一节 风洞试验装置
图6 单自由度的闭环磁悬挂系统
第一节 风洞试验装置
校准问题： 天平校准分为静校和动校两种。 利用校正装置对天平进行静态标定称为天平静
校。天平静校的目的是：证明天平能够受多大载荷； 测定每个分量的校准系数、灵敏度；测定天平的干 扰和变形；校验载荷数据的重复性，从而确定天平 使用公式和天平的精度、刚度和强度。
最早的水洞是英国C.A.帕森斯于1896年建造的。
第二节 水动力学试验装置
水洞有压力调节系统。水洞上游顶部的密闭箱中有自由水 面，水面上有空气，与真空泵连接。抽出空气时，可以降低试 验段中的压强，也可以增加试验段中的压强。水洞有去气系统， 以减少水中的空气含量；水通过管路进入去气塔，去气后回到 水洞。水洞的控制系统调控水流速度和压力，并且调控测试系 统和数据处理系统等。
➢ 除上述实验外，还有一些专门的测力实验，如铰链力矩测量 、摩阻测量、进气道阻力测量、马格纳斯力和力矩测量等， 这些都要有专门设计的天平。
第一节 风洞试验装置
(2) 测压实验 ➢ 风洞洞壁、模型表面上各点和气流中各点的当地压力参数测
量。 ➢ 风洞中最常见的测压实验是模型表面压力分布测量。模型表
面上直接开有测压孔。通过实验，可以了解局部流动特性并 积分出总的气动特性。常见的有飞行器测压、汽车测压和建 筑物测压等。
第一节 风洞试验装置
➢ 操纵面嗡鸣实验。操纵面嗡鸣是飞行器作跨声速飞行时由于 翼面上的激波、波后的边界层分离和操纵面偏转的相互作用 而产生的单自由度不稳定运动。操纵面嗡鸣对马赫数很敏感 。发生嗡鸣会降低操纵效率甚至使操纵失效，严重时将导致 结构的疲劳破坏。
➢ 非定常压力测量。这种测量是研究非定常气动力的基本手段 。测量方法有两种：
第一节 风洞试验装置
4.不足之处与改正
风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。概括地说 ，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时， 相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。
(1) 边界效应或边界干扰 (2) 支架干扰 (3) 相似准则不能满足的影响
第一节 风洞试验装置
提高风洞雷诺数的方法主要有: (1)增大模型和风洞的尺度，其代价同样是风洞造价和风洞驱 动功率都将大幅度增加。如全尺寸风洞。 (2)增大空气密度或压力。已出现很多压力型高雷诺数风洞， 工作压力在几个至十几个大气压范围。我国也正在研制这种高 雷诺数风洞。 (3)降低气体温度。如以90K的氮气为工作介质，在尺度和速度 相同时，雷诺数是常温空气的9倍多。世界上已经建成好几个 低温型高雷诺数风洞。
研究生课程-动力工程测试技术
实验流体力学(4)
王海民 流体机械与工程研究所 hmwang@
2013年12月
流动参数测量装置
第一节 风洞试验装置 第二节 水动力学试验装置 第三节 其他试验装置
第一节 风洞试验装置
1.风洞的结构形式
(1) 闭合式巡回风洞
(a) 示意图
(b) 外部结构图 图1 闭合式巡回风洞
压电天平具有结构简单，灵敏度高，线性度好，刚度大， 载荷范围宽以及频率响应快等特点。但是，其缺点是低频特 性差。
第一节 风洞试验装置
磁悬挂天平 其原理可用一个单自由度的闭环磁悬挂系统来说明，该
系统由电磁线圈、磁体（模型）、功率放大器（直流电源）、 模型位置传感器与反馈控制器等组成。作用在模型上的磁力 是模型与电磁线圈距离的函数。当x=x0时，磁力与模型的重 力相等，这时，模型处在一个平衡位置，即模型的悬挂位置。 这个位置可由闭环系统通过模型位置传感器将模型的位移信 号传给控制系统，由控制系统通过增益调节电磁线圈的电流 来实现。当模型远离电磁线圈时，作用在模型上的磁力增加， 使模型回到平衡位置。反之，当模型移近电磁线圈时，作用 在模型上的磁力减少，同样，使模型回到平衡位置。
第一节 风洞试验装置
➢ 外挂物测力和投放轨迹实验。测量飞行器外挂油箱、炸弹或 其他物体的气动力和外挂物投放轨迹的实验。由于风洞尺寸 的限制，风洞中外挂物模型很小，测量很困难。早期的实验 是设计专门的外挂物天平。天平可以放在外挂物模型或者它 的挂架内直接测量。外挂物投放轨迹是用高速摄影或多次曝 光技术对自由投放的模型进行照相记录。
在风洞内把标准模型装在经过静校的天平上进 行吹风实验称为天平动校，其目的是检验天平的性 能，确定天平的精度。
第一节 风洞试验装置
(2) 压力测量仪器 各种传感器参考前面的课件。 转子压力扫描阀→电子采样压力组件（多路开关和气路切
换开关组成）
(3)总焓测量仪器
(4) 流场密度测量仪器 风洞中常用光学仪器来显示和测量流场，常用的是阴影
➢ 全模型和部件的纵向和横向测力实验测量沿模型上三个互 相垂直轴的力和绕三个轴的力矩的实验。
第一节 风洞试验装置
➢ 喷流实验。测量飞行器发动机喷流对飞行器机体气动特性影响 的实验。在风洞中要精确模拟喷流是很困难的。火箭发动机喷 流模拟以用缩尺火箭发动机为宜。喷流实验的关键在于研制高 精度天平、小干扰的支架和不传力的输气密封系统。
第二节 水动力学试验装置
1. 水槽和水洞 水槽和水洞是水动力学
研究和实验的主要设备， 用于研究液体（水）的运 动，以及浸在液体中的物 体和液体的相互作用。
水槽实验段的上面为自 由水面，实验段的长度通 常为宽度的10倍以上。
图7 循环水槽
水洞四壁封闭，分卧式和竖式两种。 图8 卧式水洞示意图
第二节 水动力学试验装置
水洞是水动力学实验的一种设备，可用来研究边界层、尾 流、湍流、空化、水弹性等现象，以及水流与试验物体之间的 作用力。
水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统。水洞 的试验段截面有圆形的、方形的，也有矩形的。水洞的上、下、 前、后都有观察窗。同拖曳水池正好相反，在水洞中移动的不 是试验物体，而是可控水流水洞的运转。
第一节 风洞试验装置
(3) 传热实验 ➢ 在气流和模型作相对高速运动的条件下，测定气流沿模型绕
流所引起的对模型表面气动加热的一种实验。 ➢ 当飞行器飞行马赫数大于3时,必须考虑气动加热对飞行器外形
、表面粗糙度和结构的影响。 ➢ 风洞传热实验的目的是为飞行器防热设计提供可靠的热环境
数据，实验项目包括：光滑和粗糙表面的热流实验，边界层 过渡、质量注入对热流影响的实验，台阶、缝隙、激波和边 界层等分离流热流实验等。 ➢ 在风洞传热实验中一般略去热辐射，只考虑对流加热，要模 拟的是马赫数、雷诺数、壁温比、相对粗糙度（粗糙度与边 界层位移厚度之比）、质量注入率、自由湍流度等参数。
第一节 风洞试验装置
(4) 动态模型实验 ➢ 确定模型对气流的相对运动和模型上的气动力随时间变化
的实验，包括颤振实验、抖振实验、动稳定性实验、操纵面 嗡鸣实验、非定常压力测量等。 ➢ 颤振实验。颤振是飞行器在气动力、结构弹性力和惯性力相 互作用下从气流中吸取能量而引起的自激振动。 ➢ 抖振实验。抖振是气流分离所激 对运动参量时间变化率的导数,
➢ 静气动弹性实验。测量模型刚度对气动特性影响的实验。通常 风洞实验中的模型都是用强度和刚度较大的金属制作的，而真 实飞行器的刚度比模型低得多。因此，需制造一种由金属作骨 架、用轻木或塑料作填料、能模拟飞行器各部件弯曲和扭转刚 度的弹性模型，把它放在风洞中作模拟飞行条件的高动压实验 ，测量对模型刚度的影响，修正刚体模型实验的数据。
第一节 风洞试验装置
(2) 测压实验 ➢ 进气道测压实验是通过进气道表面测压孔和管道内排管的压
力测量，以得到进气道的流量- 总压恢复特性。 ➢ 风洞流场校测中速度场、压力场、方向场的测量也是通过测
压进行的。 ➢ 此外，边界层压力测量也是经常进行的实验项目。有时还通
过二元物体尾流压力测量来推算物体的阻力。
仪、纹影仪和马赫-曾德尔干涉仪等。
第一节 风洞试验装置
(5) 气流速度测量仪器 主要有皮托-静压管、热线风速仪和激光多普勒测速仪。
(6) 巡回检测装置 按一定次序或随机采集多个电压或电流信号（称为模拟
量），并把这些模拟量转化为二进制或十进制数字量的装置 （简称检测装置）。
第一节 风洞试验装置
3. 风洞试验技术
水洞可以是非循环的。即利用有一定水位高度的水库或水 箱，放水流入管道的试验段做试验。这类水洞称为自由落体式， 缺点是水速变动幅度受到限制；优点是水洞的背景噪声很小， 湍流度低，适于做噪声试验和流态显示试验。
第二节 水动力学试验装置
水洞还可做成带有自由液面的。其试验段的截面为矩形。 这种水洞可以做物体位于自由面附近的模拟试验。有的国家把 这种水洞做得相当大，可用来做船体和螺旋桨组合体的试验。 目前世界上最大的水洞在联邦德国柏林水工和造船研究所它有 自由液面；试验段截面5m×3m,长10m;洞中心高10.5m；最大 水速12m/s。
第一节 风洞试验装置
(2) 开放式巡回风洞
(a) 示意图
(b) 外部结构图
图2 开放式巡回风洞
第一节 风洞试验装置
2. 风洞测试仪器
(1) 气动力测量仪器 气动力测量仪器直接测量风洞中作用于模型上的气动力和力 矩的装置主要是风洞天平 。风洞天平的分类方法很多，按测 量原理可分为： ➢ 机械式天平 ➢ 应变式天平 ➢ 压电晶体天平 ➢ 电磁悬挂天平
第一节 风洞试验装置
➢ 风洞传热实验的方法有两类： ① 一类是确定热流密度分布的热测绘技术，如在模型表面涂
以相变材料，通过记录等温线随时间的扩展过程进行热测 绘；又如在模型表面涂以漆和粉末磷光材料的混合物，通 过记录磷光体的亮度分布转求热流密度分布（后一方法响 应快，灵敏度高）。热测绘技术可以提供丰富的气动加热 资料，但精度较低。 ② 另一类是热测量技术，利用量热计进行分散点的热测量， 一般是在一维热传导的假定下通过测量温度随时间的变化 率测量热流密度。
流体力学方面的风洞实验的主要分类有： (1) 测力实验 (2) 测压实验 (3) 传热实验 (4) 动态模型实验 (5) 流态观测实验