高速流体力学实验 (2).ppt

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1、经热电模拟网络后的铂薄膜电阻温度计的数据处理关系：座体综合系数，分别或整体标定基准电压1V，取决放大器电位差，取决于数据采集灵敏度，取决于标定时间常数，取决模拟网络l 手工制作；l 一致性差；l 安装困难；l 改变外形；l 接近极限；l 缺乏规范。存在的问题存在的问题：精度低，影响因素多；电阻温度系数标定系统软件界面电阻温度系数标定系统 96路数据采集器电阻温度系数标定系统96路数据采集器原理图铂薄膜电阻温度计测热传感器标定系统铂薄膜电阻温度计测热传感器标定系统测量目的与要求测量目的与要求测量背景：对铂薄膜电阻温度计测热传感器进行标定，用最小二乘法按R=R0(1+t)求出电阻-温度系数。其中，

2、R0为室温电阻，范围15115；t为温度，从室温85。测量原理：在加热过程中，由恒流源提供流过薄膜电阻温度计的2mA基准电流，通过测量薄膜电阻温度计两端的电压，换算出其电阻值，U=RI。测量通道：被测电阻通道数95。测量精度：电阻为0.01，电压为0.02mV。系统组成：恒流源开关电路Pt100放大器程控放大AD板恒 流 源 1路，2mA，配精密电阻，以便实时对其进行标定。模拟开关电路 96路，程控切换。数字开关电路 96路，程控切换。Pt100放大器 1路。USB型AD板 16bit，16ch，2.5V，216倍程控放大，6路DIO。继电器 4路。机箱、接线插座 USB。n n2.2 2.2

3、 测试方法测试方法测试方法测试方法 天平测力天平测力天平测力天平测力 测量目的：求得最佳气动布局，验证气动设计结果。测量目的：求得最佳气动布局，验证气动设计结果。天平要求：高灵敏度，高精度，高准度天平要求：高灵敏度，高精度，高准度 敏感元件：压电晶体，应变片，加速度计敏感元件：压电晶体，应变片，加速度计 测量内容：测量内容：三个分力三个分力 轴向力轴向力、法向力法向力，侧向力，侧向力 三个力矩三个力矩 俯仰力矩俯仰力矩、滚转力矩、偏航力矩、滚转力矩、偏航力矩 主要困难：主要困难：常规超声速风洞：常规超声速风洞：如何提高精度、准度。如何提高精度、准度。常规高超声速风洞：克服温度效应影响，强迫水冷

4、方式。常规高超声速风洞：克服温度效应影响，强迫水冷方式。脉冲高超声速风洞：克服惯性力信号的影响，采用补偿方式。脉冲高超声速风洞：克服惯性力信号的影响，采用补偿方式。n n进一步发展：进一步发展：重模型，压电型向压电重模型，压电型向压电-应变混合型及应变型发展应变混合型及应变型发展FD-07高超风洞FD-20炮风洞n高超飞行器测力试验通常在暂冲型(常规)和脉冲型风洞进行；n常规高超风洞马赫数10的试验，对于要求马赫数更高的测力试验，在激波风洞或炮风洞中完成。n常规高超风洞流场对试验模型长时间气动加热；脉冲风洞启动激波对信号的干扰；测力天平设计与测力试验各有其自身特点。n实验前，每杆天平都要进行标

5、定静校，对各分力(力矩)用砝码进行加载，脉冲风洞天平，还要进行振动试验。常规高超风洞全弹测力技术常规高超风洞全弹测力技术n常规高超风洞有气流加热问题，除在天平设计时需要考虑防热，天平的设计方法和亚跨超声速风洞相同。n一般采用水冷结构，天平支杆直径会增加，这样对一些长细比比较大的模型实验带来困难。n也采用涂层防热，在天平和支杆上喷涂一层隔热性能好的涂层起到隔热作用。n许多超声速风洞都配有模型快速插入机构，风洞启动过程中，实验模型和天平放在喷管流场外，等流场稳定后，再把天平支撑机构连同模型快速插入流场，并控制好试验时间。n如果模型和天平安装结构考虑得当，在马赫数8以下的测力试验，可以不用水冷。n对

6、于大多数高超常规测力天平设计技术已经比较成熟，天平的结构方式也比较固定。典型常规天平结构n常规天平的精校误差一般小于0.3%，可以满足大多数航天型号的常规实验要求。通过进一步精细设计，测量精度还会进一步改善。n目前常规全弹测力天平的测量精度，已经和风洞流场品质、二次仪表、数据采集、模型加工精度、天平校测、模型安装等因素引起的误差量级接近，进一步提高常规全弹模型的测力精度应该做全面考虑，在天平结构上要有创新设计。典型的柱梁式组合元件结构脉冲风洞测力技术脉冲风洞测力技术 实验时间短；风洞启动载荷干扰，振动信号叠加在输出信号上；1、压电天平，刚性好，输出大 2、应变式压电天平 刚性较好，输出大 3、

7、应变天平 刚性较好，输出大 4、应力波天平增加补偿系统，消除惯性力。基本方法：适当位置，安装加速度计。美国clspan和国内力学所都设计了这种结构的天平。1、压电天平炮风洞压电天平及加速度计安装 2、应变式压电天平补偿原理示意图 惯性补偿系统框图 其他测试技术其他测试技术其他测试技术其他测试技术 光学流场显示，阴影、纹影光学流场显示，阴影、纹影 表面油流表面油流 主要难点：流场密度低主要难点：流场密度低基本型模型纹影照片M=7.8，=-5、0、10、15、20转转 捩捩 过过 程程 S/RN=1.030 S/RN=2.078 S/RN=4.586 S/RN=6.443 S/RN=9.278 P

8、DF PDF PDF PDF PDF M=7.91双锥典型表面热流率信号及其脉动概率密度函数(计算结果，正态概率密度函数)脉动压力传递特性脉动压力 谱频特性 n n2.4 2.4 实验设备实验设备实验设备实验设备n n暂冲型实验设备暂冲型实验设备暂冲型实验设备暂冲型实验设备n n (1).FL-21(1).FL-21跨超声速风洞跨超声速风洞跨超声速风洞跨超声速风洞 试验段：试验段：0.6m0.6m0.6m0.6m 马赫数：马赫数：0.40.43.563.56 雷诺数：雷诺数：1.21.22.9102.9107 7/m/m 驻点压力：驻点压力：0.9940.9944.88atm4.88atm 温

9、度范围：温度范围：285285296K296K 气罐容积：气罐容积：10700m10700m3 3 气源压力：气源压力：25atm25atm 运行方式：半回流式运行方式：半回流式n n (2).FL-24(2).FL-24跨超声速风洞跨超声速风洞跨超声速风洞跨超声速风洞 试验段：试验段：1.2m1.2m1.2m1.2mn n (3).FL-xx(3).FL-xx跨声速风洞跨声速风洞跨声速风洞跨声速风洞 试验段：试验段：2.4m2.4m2.4m2.4m 亚洲最大的跨声速风洞亚洲最大的跨声速风洞n n (4).FL-31(4).FL-31高超声速风洞高超声速风洞高超声速风洞高超声速风洞 试验段：试

10、验段：0.5m0.45m0.5m0.45m 马赫数：马赫数：4.94.911.711.7 雷诺数：雷诺数：0.350.355.6105.6107 7/m/m 驻点压力：驻点压力：0.40.40.95atm0.95atm 温度范围：温度范围：340340832K832K 气罐容积：中压气罐容积：中压10700m10700m3 3 高压高压 104 m104 m3 3 气源压力：中压气源压力：中压 25atm25atm 高压高压 220atm220atm 运行方式：下吹、引射式运行方式：下吹、引射式n n力学所实验设备概况力学所实验设备概况力学所实验设备概况力学所实验设备概况 早期的实验设备早期的

11、实验设备 目前的实验设备目前的实验设备n n脉冲型实验设备脉冲型实验设备脉冲型实验设备脉冲型实验设备n n (1).(1).激波管激波管激波管激波管 特特 点：结构简单，造价低廉，运行费用低，使用简便；点：结构简单，造价低廉，运行费用低，使用简便；靠激波加热，无需额外加热；靠激波加热，无需额外加热；试验时间短，能量消耗有限；试验时间短，能量消耗有限；受热时间很短，设备无需冷却；受热时间很短，设备无需冷却；模拟参数范围宽，设备易于组合。模拟参数范围宽，设备易于组合。主要应用：高超声速气体动力学主要应用：高超声速气体动力学 高温气体物理化学特性高温气体物理化学特性 抗爆工程防护实验研究抗爆工程防护

12、实验研究 压力传感器动态标定压力传感器动态标定 高温化工领域高温化工领域 脉冲推进装置脉冲推进装置n n (1).(1).激波管激波管激波管激波管 运行原理：运行原理：设备结构设备结构 各区划分各区划分 x-tx-t波图波图 相容关系相容关系 最佳长度比最佳长度比 驱动方式驱动方式 参数计算：参数计算：知：知：u1u1、a1a1、p1p1、1 1 u4 u4、a4a4、p4p4、4 4 及及 MsMs运动激波关系运动激波关系u2u2、a2a2、p2p2稀疏波关系稀疏波关系 u3u3、a3a3、p3p3相容关系：相容关系：u3=u2u3=u2，p3=p2p3=p2反射激波关系反射激波关系(u5=

13、0)=Mr(u5=0)=Mr、a5a5、p5p5n n (2).JF8A(2).JF8A激波风洞激波风洞激波风洞激波风洞-炮风洞炮风洞炮风洞炮风洞 设备结构设备结构 运行方式：激波风洞运行方式：激波风洞 驱动方式：冷氢、空气驱动方式：冷氢、空气(氮气氮气)、爆轰、爆轰 激波风洞运行原理图激波风洞运行原理图n n (2).JF8A(2).JF8A激波风洞激波风洞激波风洞激波风洞-炮风洞炮风洞炮风洞炮风洞 运行方式：自由活塞炮风洞运行方式：自由活塞炮风洞 活塞材料：超硬铝活塞材料：超硬铝 优优 点：延长试验时间，点：延长试验时间，改善流场品质改善流场品质 炮风洞运行原理图炮风洞运行原理图n n激波

14、风洞运行中关心的数据激波风洞运行中关心的数据激波风洞运行中关心的数据激波风洞运行中关心的数据试验前试验前n n驱动形式，空气、氮气、冷氢、爆轰驱动驱动形式，空气、氮气、冷氢、爆轰驱动n n大气压、室温大气压、室温T T4 4，T T1 1；n n驱动段、被驱动段长度驱动段、被驱动段长度L L4 4、L L1 1，内径，内径4 4、1 1；n n驱动段、被驱动段充气驱动段、被驱动段充气(初始初始)压力压力P P4 4，P P1 1n n试验段、真空罐真空度试验段、真空罐真空度P P试验时试验时n n被驱动段末端激波速度被驱动段末端激波速度V V，传感器间距，传感器间距140mm140mm 入射激波马赫数入射激波马赫数MsMs，反射激波马赫数，反射激波马赫数MrMrn n被驱动段末端贮室压力被驱动段末端贮室压力P P5 5，T T0 0、P P0 0n n试验段来流马赫数试验段来流马赫数MM，皮托压力，皮托压力P Pt t，驻点热流，驻点热流q q0 0