干货满满！王洪伟分享流体力学之流动测量原理与实例解析

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力学与有限元学习月

导读：“王洪伟老师是我在仿真秀平台唯一关注的讲师，他也是我的偶像”。这是《轴流风机高精度验证和Optislang优化设计》作者，听说王老师即将在仿真秀平台开启新的直播科普之旅的第一反应。

对于他的回答，我深信不疑！我知道，在仿真秀平台很多粉丝和讲师都收藏了王老师编著《我所理解的流体力学》第一版和第二版。也有万千用户观看了王老师原创的视频教程《流体力学基础21讲》，对王老师在流体力学研究和科普，表示叹为观止！

在仿真秀平台主办"力学与有限元学习月"活动期间，我们非常荣幸邀请到北京航空航天大学副教授王洪伟老师为广大的理工科学子和学习型仿真工程师带来《流动测量—原理与实例解析》，由于案例较多，内容也偏多，且偏工程应用方向，希望能引发大家的共鸣，详情见后文：

一、写在文前

大家好，我是王洪伟，很高兴在仿真秀平台跟大家见面了！我将在在这里开启一段新的流体力学科普视频《流动测量—原理与实例解析》。原计划主办方希望我来讲授流体力学基础理论和科普，但这些内容我在仿真秀发布《流体力学基础21讲》都有详细讲解，不再累述，如果有感兴趣的朋友可以自行观看。而本期科普讲座，我希望面向工程应用流动测量问题进行科普。由于是涉及的内容比较多，与主办方协商后，流动测量问题分两期直播，分别在3月4日和3月17日直播，且支持反复观看。大家在观看直播过程中可以给我留言，我已经安排了互动时间和大家交流。最后，再次感谢大家支持。

现在的我

二、我与流体力学结缘

我是1992年开始在北航的动力系（现在叫能源与动力工程学院）读书。当时对专业是一无所知，经过了新生教育才知道是飞机发动机系。后来就学了很多围绕着发动机的专业课。那时候本科在大三分专业，有几个方向：原理、结构强度、传热、燃烧和控制。原理方向对应的是流体力学，结构强度方向对应的是固体力学等等。

这几个专业之间绝大多数课程是一样的，只有几门不同。我选择的是结构强度，所以上了弹性力学、断裂力学、有限元等几门固体力学方面的课。相应地原理方向的课气体动力学2，计算流体力学等本科阶段就没学。不过从本科毕设开始，我就转到原理方向，做的都是流体相关的事了。原因是我的本科生导师是流体方向的。

三、学子生涯的流体力学

我的本科毕业设计是搭建一个校准探针用的风洞。实际上我的导师在之前基本已经设计好框架了，我主要计算一些定量的尺寸，买材料和部件，和工人师傅一起加工装配，建好后测试风洞品质等等。这个工作实际上成了我之后很多工作的基础，现在的很多对流体力学的认识也是从那个时候开始的。所以说知识不能只是上课学，要真正应用的时候才能深入理解。

风洞剖面示意图

毕业设计的收获还是挺大的，一开始我连最基本的流动问题都不会算，算出的射流风洞出口速度都是超声速的，而气源只是一个普通的民用离心风机。我当然也是不敢相信我的计算结果，一问老师露了怯。原来我只是用风机的流量来算速度，没有考虑到射流速度是由风机的压头决定的。不过这也算我的贡献，说明风洞的射流出口尺寸和风机特性不匹配，于是又临时加工了一个面积大一倍的喷口。

硕士的课题研制一种同时测量总温和总压的高频探针。其实这是当初一个MIT的博士论文已经做出来的东西，我们在其基础上有一些改动，把里面的两根热线换成了一根热线，使这种探针更适合压气机这种周期性非定常流场的测量。基本都是从零做起，小型热风洞、测量仪器系统、探针的设计和加工等等，最后做出的探针标定起来也很麻烦。因为和调节速度的风洞不同，热风洞的温度调节比较复杂，整个风洞的热惯性很大，当时都是手动调节，稳定每一个温度都需要两三个小时。最后的硕士论文我自己觉得也就是合格的水平，创新性和深度都较为一般。

硕士课题做得很一般的一个原因是水平有限，更主要的是没有全心全意地做。一大半精力用于考托福GRE了，俞敏洪的课就上了很多节。不过结果也算好，硕士毕业后就去美国留学了，在VirginiaTech继续读博。

在VT的这一段学习和生活挺丢人的，反正总之就是没好好学习。课程成绩还好，主要靠吃老本，研究课题进展就不行了。因为原来在北航做过很多实验，所以一开始工作起来还算得心应手。也做了一些实验，得到了一些阶段性的结果。独立完成的一个项目是测量V-22鱼鹰飞机的螺旋桨叶片表面的边界层分布，还是颇费了一番功夫的。在北航我就很熟悉了LabView，在VT课题组用的是HP Vee，其实大同小异，所以我也成了课题组除导师外最擅长修改和编写测试软件的人，不过除此之外就一无是处了，而且越来越差。因为不用心，就不可能有创新，只做些常规的实验怎么可能胜任博士工作呢？结果是不到两年就读不下去了，我就打算不读了，回国算了。我的导师也觉着我没戏了，以我那时的状态，是不可能通过一年后的博士资格考试的。但他说我已经做的工作可以写硕士论文，以硕士毕业。于是我就写了硕士论文，转了硕士，答辩毕业，回国了。

四、我在北航从事的流体力学

回国后找工作，也没什么想法。这时我北航的硕士导师跟我说，那就回北航来呗。那时硕士生进北航还是有可能的，当然其实是要课题组极力推荐才有可能。于是我就进入了北航，成了一个北航老师，并且在2004年开始在职读了北航的博士，2009年末毕业的。在北航的科研工作基本上是围绕着压气机的实验和设计展开的，一直到现在。博士是在职读的，所以博士论文的主要内容也是和工作内容相关的。

刚一工作的时候，我就被要求改建我本科毕设设计那个风洞，尺寸加大，速度提升，从原来的最高速度100m/s提升到高亚声速（Ma=0.8）。受条件限制，没有高压头的气源，仍然用的是民用风机，最高压头15kPa左右。怎么达到那么高的马赫数呢？用的是收扩形式，试验段是喉部，后面扩张后再排入大气。这样的探针标定就是闭式的了，位移机构等也比原来复杂了。实际效果还是不错的，这个风洞一直用到前年实验室拆 迁的时候，支撑了很多实验工作。研制压力探针也是日常的一部分工作，各种五孔针、三孔针、单孔针等等，给自己做，有时也给外面单位做。

在发展基础测量手段的同时，更多的工作是压气机的测量任务。多数这类工作都是外场试验，要跑几个发动机研究所和工厂，这些年的几种型号发动机也有所参与。从测量项目上来说，外场的实验比自己实验室的实验要简单得多，但条件差一些，需要的可靠性高，对人员的要求也高。我们经常是到现场，一小时内拆箱准备实验，然后就开始测量工作，晚上处理出结果，第二天就回北京。多年的外场试验也积攒了一些工程经验，虽然跟研究所的人还是没法比，但作为高校教师应该还是扩宽了自己的眼界。这些工作也加深了我对流体力学和流体测量的理解，对工程项目也有了更深的认识，起码和工程师们对话有共同语言了吧。

我在北航也是偶然的机会，加入了本科生的“工程流体力学”教学团队，然后就一直教这门课到了现在，后来还讲授了研究生的课程“粘性流体力学”。我的书《我所理解的流体力学》和《画说流体力学》就是在教这两门课的基础上总结写成的，后来还做了视频课“流体力学基础21讲”，在仿真秀官网可以查看。

五、我的流动测量公开课

总体来说，我无论是教学还是科研，教的和做的都不是很前沿的问题，也没有什么成果可言。要说有所贡献，主要还是教学方面，包括狭义的课堂教学和广义的社会教学。能跟大家分享我所理解了的知识，有人能够获益，是我的动力所在。我所能分享的，除了流体力学知识，就是流动测量的经验了。

3月4日20时（周五），我受邀在仿真秀主办的“力学与有限元学习月”分享《流动测量—原理与实例解析》，感兴趣的朋友可以提前报名，以下是我的课程安排：

（完）

作者：王洪伟博士，仿真秀专栏作者，北京航空航天大学能源与动力工程学院教师，副教授。讲授本科生“工程流体力学”与研究生“粘性流体力学”课程。 出版教材《我所理解的流体力学》 ，科普图书《解析流动：画说流体力学》，制作微课“流体力学基础21讲”。研究领域为叶轮机气体动力学，流体机械实验研究，流动控制等。

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