什么是实验空气动力学?

什么是实验空气动力学?

[拼音]：shiyan kongqi donglixue

[外文]：experimental aerodynamics

空气动力学的一个分支。用实验方法研究各种环境下空气和其他气体的运动以及物体在气体中运动的气动特性。由于是直接研究物体与真实气流间的相互作用，所得数据可以用作工程设计的依据，验证理论计算结果并能揭示新的流动现象，为理论分析提供物理模型。

实验空气动力学作为一门分支学科是20世纪40年代形成的。它的形成同飞行器高速发展，要求迅速获得大量复杂、精确、可靠的设计数据有关。它的主要内容除空气动力学基础理论外，还包括实验理论、实验方法和实验设备的知识。

实验理论

实验空气动力学的主要任务是利用风洞进行模型实验，以观察物体的运动、周围流态，测量周围的流场以及作用在物体上的空气动力和力矩，表面压强和热流等。实验所依据的基本理论是相对运动原理和模型理论。

相对运动原理

无论是固体以某一均匀速度在静止的流体中运动，还是流体以相同速度流经固体，两者之间的相互作用力恒等。一般情况下，风洞实验就是人工产生可调节的均匀气流流过固定不动的模型，并测出模型上所承受的作用力和力矩。

模型理论

飞机和导d等尺寸很大，构造复杂，难以进行实物试验，采用缩尺模型（少数情况下也有放大模型的）进行实验研究，条件现实，而且经济和安全。因此模型广泛用于风洞实验。模型理论主要包括：

（1）相似性：为把模型上测出的数据换算为实物的气动特性，模型与实物之间必须严格遵循相似性要求。对于气动力来说必须：几何相似，即流场中相互对应的线性长度比（包括内外边界和整个流谱）为一常数；运动相似，两流场中相互对应的速度比为一常数；动力相似，两流场中相互对应的作用力比为一常数。对于气动热来说还必须满足其他的相似。所有的相似条件全部得到满足称为完全相似；部分得到满足称为部分相似。实际上，完全相似模型很难实现，常常是就占支配地位的主要作用方面保证部分相似。

（2）量纲分析：模型与实物之间应满足的相似准则可由量纲分析导出，若作用在物体上的气动力X1是诸物理变量X2，X3，……，Xn的函数。

X1＝ψ(X2，X3，……，Xn)，式中X2，X3，……是物体和气流的特性，有各自的量纲。按同一物理方程中各项的量纲一致性要求，可导出各项均为无量纲变量的特征方程：

π1＝Ψ(π2，π3……，πn-i)，式中左边一项π1是与基本变量组成的无量纲力系数，右边各项是诸变量 X2，X3，……分别与基本变量组成的无量纲参数。i是基本变量的数目。这个公式称为π定理。两式同样适用于模型。为了区别，模型的无量纲力系数和参数均用“′”表示。在设计模型和安排实验条件时如果做到π娦=π2，π婭=π3，……则必然π姈=π1。这些无量纲参数π2，π3，……称为相似准则。在设计实验时，必须保证模型与实物几何相似，并使模型与实物的相似准则分别相等，才能保证两个流动的动力相似，模型实验所得的力系数π姈也就与实物的全等。

对于气动力问题，当考虑气流粘性μ、压缩性K、重力加速度g和运动的周期(或频率)w 起主要作用时，则特征方程是：

CF＝F/ρV2L2＝f(α、β、Re、M、Fr、S)式中特征长度L、来流速度V和空气密度ρ是3个基本变量，α是迎角，β 是侧滑角(见空气动力特性)。F 和CF分别是空气动力和力系数。雷诺数Re＝ρVL/μ和马赫数M＝V/a是相似准则(a为音速);而弗劳德数Fr=V2/gL和斯特鲁哈数


是分别考虑重力和周期影响的相似准则。利用上式可根据模型测出的空气动力和力矩换算出实物上的空气动力和力矩。相似准则的数目总是少于物理变量的数目，这对于设计实验和整理实验结果大为方便。

实验技术

风洞实验技术与研究目的和实验对象有关。即以较为定型的生产性实验来说，除常规的测力和测压实验外，其他各种实验项目有进气道、铰链力矩、动导数、颤振、喷流等，种类繁多。实验方法因实验项目不同而异。如果将各项目按测量对象进一步分解，则可划分成以下各种基本的风洞测量方法：气流压力场、速度场和方向场测量，力和力矩测量，表面压强测量，表面温度测量，湍流测量，边界层测量，动态参数测量，模型对气流的作用测量以及流谱观察和显示等。

实验设备

常规的实验设备有低速、亚音速、跨音速、超音速和高超音速等各种风洞以及超高速实验设备。水槽和水洞作为辅助设备也用于观察流态。这些实验设备通常由动力系统、设备本体和测量控制系统组成。主要测量仪器包括各种类型的风洞天平、测量气流参数的探头和传感器、压力计、热线风速仪、激光测速仪、频谱分析仪，以及用于气动光学测量的纹影仪、阴影仪和干涉仪等。

然而，在实践中能量和费用限制了风洞的尺寸和模拟范围，不可能在风洞中实现无限空间的真实飞行条件，因此存在风洞洞壁对实验的影响，称为洞壁干扰；实验雷诺数达不到飞行的数值而带来的误差，称为尺度效应；模型的支承产生的支架干扰。其他模拟参数达不到真实飞行条件也会带来误差，这些实验误差必须在实验数据处理中加以修正。这些修正方法也是实验空气动力学的一项重要内容。为了消除这些误差和提高风洞的模拟能力，从70年代起开始发展自修正风洞、大型低温风洞和磁悬挂技术。

参考书目

E. S. Taylor， Dimensional Analysis for Engi-neering， Clarendon Press， Oxford，1973.P. Bradshaw，Experimental Fluid Mechanics，Pergamon Press， New York， 1970.