【流体力学微教材】流体力学动力量实验测量方法与技术

流体压强测量最早采用液体压力计，如 U形管压力计和斜管压力计，如图1所示。在风洞试验中，测量气流总压和静压最常用的是皮托管。在超声速气流中，皮托管前产生正激波，所以只能测量波后总压。

图1  U形管和斜管压力计

现代已广泛采用压力传感器来测量压强。压力传感器的种类很多，按变换原理可以分成电阻应变式、电容式（如图2所示）、电感式、振膜式、固态压阻式和压电式等。在高超声速风洞中遇到非常低的压力时，多采用振膜式或固态压阻式传感器。压电传感器主要用于脉冲式风洞或用于测量瞬态压力。

图2  电容式压强传感器

在风洞中，测量模型表面多点压强时，广泛使用压力传感器和压力扫描阀组成的测压系统或者电子扫描压力测量系统（如图3所示）。

图3  PSI9816电子式压力扫描阀系

2、温度和热流测量方法

单纯的温度测量需要普通温度计就够啦，但对于可压缩流动的气流，需要确定气流的总温和静温。气流总温低于2000K时,可用总温探针来测量，而气流静温一般根据总温和马赫数来推算。总温探针的测温元件在温度较低时可用热敏电阻，温度较高时用铜-康铜、 镍铬-镍铝热电偶。铂-铂铑热电偶可测高达 2000K的温度。物面温度除用热电偶测量外，还可用感温涂料或相变涂料作为敏感元件，其测量范围从室温到数百 K，测量精度稍低，但信息量大。采用红外照相技术可以测量从室温到 1200K范围内的表面温度分布，这种方法不会干扰流场而且信息量大。对于1200～4000K范围内的气流温度和表面温度,通常采用辐射高温计、光电高温计、比色高温计等光学测量仪器测量。现代相干反斯托克斯□曼光谱技术(CARS)具有很高的光谱辐射转换率而引起广泛的注意。低密度风洞气流本身不辐射光谱，因此普遍采用电子束探针来激发气体使之电离而辐射出光谱，再用光谱分析方法求出其振动和转动温度。对于风洞传热实验，一般可以采用测量温度随时间的变化率来测量热流。不同类型的风洞往往采用不同型式的量热计。常规高超声速风洞常用薄壁量热计，电弧风洞常用零点量热计，激波风洞常用薄膜电阻量热计（如图4所示）。

图4  薄膜电阻量热计

3、密度测量方法

一般采用光学方法来测量气流的密度。用阴影法、纹影法、干涉法等仅能进行密度的定性测量，而用激光全息照相可以对风洞流场的三维密度分布进行定量测量。全息法是把两列干扰光波（信号波和参考波）所形成的干涉图形用照相方法记录下来，事后只要适当照明全息照片，就能再现“流场”的光波。全息法记录的是流场的全部信息（包括相位差、方向差、光程差），所以事后可对再现的光波进行细致的定量测量(如图5所示)。

图5  纹影技术

4、力和力矩测量方法

作用于模型上的气动力和气动力矩通常可以采用风洞天平直接测量（如图6所示）和通过测量自由飞风洞模型的运动情况来测量。自由飞测力是借助于高速摄影机记录模型在风洞中自由飞行的运动轨迹和确定加速度，根据牛顿第二定律来计算气动力和气动力矩。为了使飞行器具有良好的稳定性和机动性，还必须知道作用于模型上的气动力和气动力矩对角位移时间变化率的导数，即动导数。在风洞中，可以通过自由振动或强迫振动的天平来测量动导数，也可以通过模型自由飞试验来反推。

图6  六分量测力天平

5、表面摩擦测量方法

研究粘性流动时常要求测量表面剪切应力，除间接方法外还可采用摩擦天平直接测量，摩擦天平常采用差动变压器或应变传感器、热膜和普瑞斯登管等。