高速風洞油流試驗方法與流程
2023-11-01 02:07:02
本發明涉及風洞油流試驗技術領域，具體而言，涉及一種高速風洞油流試驗方法。
背景技術：
在風洞試驗中，油流試驗是藉助於物理手段使氣流繞模型流動的某些特徵以畫面的形式顯示出來的試驗方法。通過觀察油流圖像，並進行拓撲分析，能深入地了解流動現象的本質和機理，確定氣流在模型上附著的位置、出現激波和旋渦的位置以及氣流分離的位置和分離的方式與特點，為合理地解釋實驗數據提供依據，有助於找到解決某些具體問題的途徑，也有助於建立、完善和發展新的空氣動力學理論。
油流試驗技術作為風洞試驗流動顯示技術之一，通過將一定黏度的特定油劑與示蹤粒子粉末染料均勻混合體噴塗在模型表面，塗料在繞模型氣流的剪切力作用下，油挾帶著顏料粉末隨氣流運動，在模型表面形成油流圖譜。通過對油流方向、油膜厚薄變化及圖譜分析，可以了解物面流場中奇點的分布規律，判讀繞流流經物面形成的附流、氣泡、漩渦、激波及分離等氣動特徵，以進一步揭示不同外形試驗模型的表面流動規律，並為合理解釋試驗數據或了解某些流動現象產生的機理提供依據。
現有技術的高速風洞油流試驗方法只能獲得靜態油流圖譜，風洞停風后油流試驗油劑的回流和激波，使模型表面形成的油流圖譜受到一定程度破壞，停風后所攝錄的油流圖譜不能真實反映試驗模型在試驗過程中的實時圖譜。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種高速風洞油流試驗方法，同時獲得瞬態油流圖譜和靜態油流圖譜，使獲得的試驗模型的表面的流動特徵更為全面，真實反映試驗模型在試驗過程中的實時圖譜。
本發明是採用以下技術方案實現的：
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置高速風洞油流試驗油劑，清洗試驗模型，將試驗模型安裝於試驗風洞內，準備試驗設備。
(2)、將高速風洞油流試驗油劑設置於試驗模型的表面形成油劑層，設定試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，試驗風洞啟動吹風，獲取瞬態油流圖譜。
(3)、停風後，拍攝靜態油流圖譜。
本發明的較佳實施例提供的高速風洞油流試驗方法的有益效果是：
本發明提供的高速風洞油流試驗方法，先配置高速風洞油流試劑，再將實驗模型清洗乾淨，避免由於試驗模型的表面具有雜質而影響試驗結果，使試驗結果能夠反映試驗過程的真實情況。此外，將高速風洞油流試驗油劑設置於試驗模型的表面形成油劑層，設定試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，試驗風洞啟動吹風，吹風以後，高速風洞油流試驗油劑會在試驗模型的表面發生流動，在試驗油劑流動的過程中，會獲得瞬態油流圖譜，能夠很好地真實捕捉實驗模型的表面的油流圖譜。同時，在停風後，拍攝靜態油流圖譜，使瞬態油流圖譜與靜態油流圖譜進行對比分析、相互補充，使獲得的試驗模型的表面流動特徵更為全面。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖也屬於本發明的保護範圍。
圖1為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗油劑的配置方法中鈦白粉與機油的質量比與鈦白粉和機油的混合物的黏度的關係曲線；
圖2為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗得到的第一張瞬態油流圖譜；
圖3為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗得到的第二張瞬態油流圖譜；
圖4為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗得到的第三張瞬態油流圖譜；
圖5為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗得到的第四張瞬態油流圖譜；
圖6為本發明實施例提供的高速風洞油流試驗得到的靜態油流圖譜。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
下面對本發明實施例的高速風洞油流試驗方法進行具體說明。
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置高速風洞油流試驗油劑，清洗試驗模型，將試驗模型安裝於試驗風洞內，準備試驗設備。
①、高速風洞油流試驗油劑包括鈦白粉、機油和螢光指示劑。
其中，機油可以調節試驗油劑的黏度，不同的高速風洞的風速所需要的試驗油劑的黏度不同，通過加入不同的機油的量來調節試驗油劑的黏度，使製得的試驗油劑可以滿足不同的高速風洞的需求。
優選地，機油的黏度為200～400mPa.s。機油的黏度較小，使機油與鈦白粉容易混合均勻，對機油的黏度進行限制，更加容易配置高速風洞油流試驗油劑所需要的黏度，使高速風洞油流試驗油劑能夠順利進行油流試驗。
鈦白粉即二氧化鈦，為質地柔軟的無嗅無味的白色粉末，遮蓋力和著色力強，不溶於水、稀無機酸、有機溶劑、油等，納米級超微細二氧化鈦具有半導體性質，並且具有高穩定性、高透明性、高活性和高分散性，無毒性和顏色效應。由於鈦白粉的這些性質，高速風洞油流試驗油劑中加入鈦白粉為示蹤粒子，利於油流試驗後形成油流圖譜。同時，鈦白粉不溶於水，具有一定的防水性，具有防潮、易存放的優點。
優選地，鈦白粉的級別為2N，粒度為200～300目，這種鈦白粉經過深加工，其粒度達到納米級，具有易調和的特性，這樣鈦白粉與機油和螢光指示劑混合製備高速風洞油流試驗油劑的時候，其混合更加均勻，可以延長通過油流試驗得到的油流圖譜的存放時間，便於研究人員的研究。
鈦白粉具有顏色效應，更佳地，對鈦白粉進行二次加工，即對鈦白粉進行顏色處理，使鈦白粉的表面附著有顏料層，其方法為：將處理劑沉澱在鈦白粉粒子表面而形成包膜，並對其沉澱的形式、數量和方法加以控制，使鈦白粉的表面有沉澱層的顏料，得到的鈦白粉的表面附著有顏料層。優選地，處理劑通常選自三氧化二鋁、二氧化矽中的一種或兩種。鈦白粉經過顏色處理以後，其依然具有鈦白粉的性質，但得到的鈦白粉具有不同的顏色，使得到的高速風洞油流試驗油劑能夠進行彩色油流試驗與常規黑白油流試驗。同時，可以更好的顯示不同區域油流圖譜及不同表面交接線氣流有無繞流情況，使瞬態油流圖譜更加清晰，方便觀察。
螢光指示劑是一種螢光染料，使製得的高速風洞油流試驗油劑能夠進行螢光油流試驗。優選地，螢光指示劑選自螢光檢漏劑或螢光粉中的一種。其中，螢光檢漏劑為油路系統中通用的螢光檢漏劑。
高速風洞油流試驗油劑配方含有上述三種配方原料，使高速風洞油流試驗油劑能夠進行螢光油流試驗、彩色油流試驗和常規黑白油流試驗，增大了高速風洞油流試驗油劑的使用範圍，同時，也使通過油流試驗得到的油流圖譜能夠存放較長時間，方便研究。
②、上述高速風洞油流試驗油劑的配置方法，包括如下步驟：
Ⅰ配置機油鈦白粉質量比不同的樣本混合物，測定樣本混合物的黏度，並得到機油鈦白粉質量比與黏度的關係曲線。
選取至少5個不同的機油鈦白粉質量比，配置樣本混合物，並分別測定樣本混合物的黏度，以機油鈦白粉質量比為橫坐標，黏度為縱坐標得到關係曲線。
例如：分別配置機油鈦白粉質量比為1.2、1.38、1.44、1.5、1.57、1.64、1.72、1.8、1.9、2.0的10種樣本混合物，並分別測定這10種樣本混合物的黏度，測定黏度的方法按照現有技術即可，得到混合物的黏度值分別為3280mPa.s、2980mPa.s、2900mPa.s、2820mPa.s、2800mPa.s、2770mPa.s、2700mPa.s、2620mPa.s、2600mPa.s、2510mPa.s。以機油鈦白粉質量比作為橫坐標，其對應的樣本混合物的黏度作為縱坐標，且通過多次配置相同質量比的樣本混合物並測定樣本混合物的黏度值，通過計算平均值，使測量的結果更加準確，使用最小二乘法得到的值畫出機油鈦白粉質量比和黏度的關係曲線，使關係曲線更有可信度，曲線如圖1所示。
Ⅱ根據油流試驗的Ma值，確定試驗油劑的黏度，再根據黏度和關係曲線，得到試驗油劑的機油鈦白粉質量比。
在進行油流試驗的時候，不同的油流試驗的Ma值，需要不同黏度的高速風洞油流試驗油劑，其Ma值與高速風洞油流試驗油劑的黏度的對應關係為現有技術。通過需要的高速風洞油流試驗油劑的黏度，對應機油鈦白粉質量比和黏度的關係曲線，得到配置的高速風洞油流試驗油劑的機油與鈦白粉的質量比。如：當0.4≤Ma≤1.5時，對應需要的高速風洞油流試驗油劑的黏度為2850～3150mPa.s，當1.6≤Ma≤3時，對應需要的高速風洞油流試驗油劑的黏度為2620～2790mPa.s。根據圖1，可以得到機油與鈦白粉混合物的黏度範圍為2850～3150mPa.s時，機油與鈦白粉的質量比範圍為1.3～1.5，可以得到機油與鈦白粉混合物的黏度範圍為2620～2790mPa.s時，機油與鈦白粉的質量比範圍為1.6～1.8。
Ⅲ根據步驟Ⅱ獲得的機油鈦白粉質量比，配置機油與鈦白粉的油劑混合物，並添加螢光指示劑混合。
根據圖1中的關係曲線，得到試驗油劑的機油鈦白粉質量比，並通過該質量比配置相應的機油與鈦白粉的油劑混合物，並添加螢光指示劑混合得到高速風洞油流試驗油劑。
優選設置：螢光指示劑質量佔油劑混合物的質量的2％～5％，使得到的高速風洞油流試驗油劑具有足夠的螢光效應也不會對高速風洞油流試驗油劑的黏度造成影響。
其具體的配置方法為：使用脫脂棉蘸取少量的無水乙醇將燒杯清洗乾淨，待無水乙醇完全揮發以後，將燒杯放置在電子天平(或其他稱量器具上)，打開電子天平，用鑰匙量取上述鈦白粉置於燒杯中，將其歸零，再加入上述機油，將其歸零，最後再加入上述螢光指示劑，使用攪拌棒將三種物質混合均勻，得到高速風洞油流試驗油劑。配置好的高速風洞油流試驗油劑需靜置一段時間，以確保高速風洞油流試驗油劑中的氣泡充分逸散。建議在進行試驗前半個小時進行配置。
此高速風洞油流試驗油劑的配置方法中，引入黏度技術指標，對機油和鈦白粉的量進行量化，技術性的控制更強，配置高速風洞油流試驗油劑的時候，嚴格按照不同範圍的Ma所需要的不同範圍的黏度的高速風洞油流試驗油劑的進行配置，使得到的高速風洞油流試驗油劑能夠更好地進行油流試驗，並得到可以長久存儲的油流圖譜。
③其中，清洗試驗模型主要是為了去除試驗模型表面的雜質，避免由於試驗模型的表面具有雜質而影響試驗結果，使試驗結果能夠反映試驗過程的真實情況。同時，還要進行其他試驗設備的準備，為後續油流圖譜的拍攝做好準備。
優選地，使用丙酮或乙醇清洗試驗模型的表面，丙酮和乙醇是很好的有機溶劑，能夠很好的將試驗模型表面的雜質清洗乾淨並去除，同時丙酮和乙醇均為易揮發性物質，其不會殘餘在試驗模型的表面，影響後續的試驗。同時，還可以使用其他有機溶劑對試驗模型的表面進行清洗，如：甲醇、丙烯酸等。
首先，安裝LED照明光源，使照明的光場亮度及範圍滿足試驗要求，即試驗風洞中具有良好的光照。安裝CCD攝相機，調試CCD攝相機的鏡頭、光圈、焦距、曝光燈等時間參數，使CCD攝相機在LED照明光場下能夠清晰拍攝試驗模型表面待測區的圖像，並使圖像傳輸系統與圖像處理系統連接，使CCD攝相機拍攝的圖像能夠順利通過圖像傳輸系統傳至圖像處理系統。
(2)、將高速風洞油流試驗油劑設置於試驗模型的表面形成油劑層，通過設定不同的試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，並啟動試驗風洞進行吹風，使試驗模型表面的油劑層在吹風的情況下發生運動，獲取瞬態油流圖譜。其中，試驗Ma、模型姿態角及吹風時間可以在試驗前進行調整，也可以在試驗過程中進行調整，使瞬態油流圖譜不斷發生變化。
優選地，將高速風洞油流試驗油劑塗抹於試驗模型的表面形成油劑層，使油劑層的設置更加均勻，油劑層的厚度不超過試驗模型的表面的附面層厚度，在試驗風洞啟動吹風以後，才能使油劑層的變化很明顯，得到的瞬態油流圖譜更加清晰。
更佳地，模型姿態角大於15°時使用的試驗油劑的黏度值與模型姿態角不大於15°時使用的試驗油劑的黏度值的比為0.97～0.98:1，Ma高於1.5時使用的試驗油劑的黏度值與Ma不高於1.5時使用的試驗油劑的黏度值的比為0.97～0.98:1，塗抹於背風區的試驗油劑的黏度值與塗抹於迎風區的試驗油劑的黏度值的比為0.97～0.98:1，即當模型姿態角大於15°、Ma高於1.5、高速風洞油流試驗油劑塗抹於背風區時，高速風洞油流試驗油劑的黏度均降低2％～3％，即在進行高速風洞油流試驗的時候，如果模型姿態角大於15°、Ma高於1.5、高速風洞油流試驗油劑位於背風區時，則需要配置新的高速風洞油流試驗油劑，其黏度發生變化，黏度值為模型姿態角小於等於15°、Ma小於等於1.5、高速風洞油流試驗油劑位於迎風區時的高速風洞油流試驗油劑的黏度的97％～98％。且只要滿足三者條件之一，則黏度降低2％～3％，在滿足其中之二或全部滿足時，依然是黏度降低2％～3％，不需相互疊加。
通過安裝好的CCD攝像機獲取試驗模型的表面的圖像，經動態圖像採集系統將圖像傳輸至圖像處理系統，獲取瞬態油流圖譜。所獲取表徵區域內的瞬態油流圖譜未受停風回流及激波影響，更為真實，瞬態油流圖譜可經圖像後處理，獲取試驗模型表面表徵區域流譜的方向場，更為直觀。
停風後，根據流場建立穩定情況，選擇合理時間節點區間內圖片組並經圖像處理系統解算處理，獲取試驗模型表面流動方向場圖譜及油流照片。選擇合理的時間節點區間，即使用者需要的時間節點區間，可自行選擇一個或多個時間節點區間，方便研究。
(3)、停風後，拍攝靜態油流圖譜。由於瞬態油流圖譜在拍攝的過程中，氣流不斷發生變化，油劑層也在發生運動，所以，停風后進行靜態油流圖譜的拍攝，可以彌補瞬態油流圖譜的不足，使瞬態油流圖譜與靜態油流圖譜進行對比分析、相互補充，使獲得的試驗模型的表面流動特徵更為全面。
優選地，使用LED光源系統照射試驗油劑，並通過照相機完成黑白油流圖譜和彩色油流圖譜的拍攝。也可以使用螢光激發光源及附件，通過照相機完成螢光油流圖譜的拍攝。並進行圖像標識及後處理，將瞬態油流圖譜和靜態油流圖譜相結合，真實捕捉和顯示試驗模型表面的油流圖譜，方便研究。
實施例1
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置黏度為3150mPa.s的高速風洞油流試驗油劑，使用丙酮清洗試驗模型的表面，將試驗模型安裝於試驗風洞內，並安裝LED照明光源，安裝CCD攝相機，調試CCD攝相機的鏡頭、光圈、焦距、曝光燈等時間參數，並使圖像傳輸系統與圖像處理系統連接。
(2)、將高速風洞油流試驗油劑塗抹於試驗模型的表面形成油劑層，設定不同的試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，其中，Ma值為1.3，模型姿態角為12°，並且使試驗模型位於迎風面，並將試驗風洞啟動吹風，通過安裝好的CCD攝像機獲取試驗模型的表面的圖像，經動態圖像採集系統將圖像傳輸至圖像處理系統，選擇合理時間節點區間內圖片組並經圖像處理系統解算處理，獲取試驗模型表面流動方向場圖譜及油流照片。
(3)、停風後，使用LED光源系統，通過照相機拍攝靜態油流圖譜，並進行圖像標識及後處理。
圖2-圖5為本實施例提供的高速風洞油流試驗得到的瞬態油流圖譜的圖像序列，依次分別為從試驗開始到試驗結束過程中的幾個不同瞬間，瞬態油流圖譜可以反映氣流的流動規律。其中圖2為試驗剛開始，氣流從圖中右下角向左上角流動，所以圖中右下角出現棉絮狀油流圖譜；經過約1秒鐘後，從圖3可以看出棉絮狀油流消失，油流出現了初步的指向性(從右下向左上)；再經過約1秒鐘，從圖4中可以清晰看出流動的軌跡；而再過1秒，圖5則更能加清晰地顯示出氣流穩定之後的流動規律。瞬態油流圖譜的優勢在於能夠反映氣流從剛啟動到穩定運動過程中的變化規律，但是要求在試驗過程中相機和模型等物體的相對位置不能改變，因此拍攝角度被限制，每次試驗只能針對一個區域進行測量，得到的數據具有一定的局限性，圖6為本實施例提供的高速風洞油流試驗得到的靜態油流圖譜，靜態油流本身是在試驗結束後進行油流圖像拍攝，雖然不能像瞬態油流那樣得到氣流的變化規律，但是卻能在試驗之後針對已經穩定的油流軌跡從各個不同角度進行拍攝，可以得到更為全面的油流圖譜圖片。將瞬態油流圖譜和靜態油流圖譜相結合，使瞬態油流圖譜與靜態油流圖譜進行對比分析、相互補充，使獲得的試驗模型的表面流動特徵更為全面，真實捕捉和顯示試驗模型表面的油流圖譜，進行研究。
實施例2
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置黏度為2620mPa.s的高速風洞油流試驗油劑，使用乙醇清洗試驗模型的表面，將試驗模型安裝於試驗風洞內，並安裝LED照明光源，安裝CCD攝相機，調試CCD攝相機的鏡頭、光圈、焦距、曝光燈等時間參數，並使圖像傳輸系統與圖像處理系統連接。
(2)、將高速風洞油流試驗油劑塗抹於試驗模型的表面形成油劑層，設定不同的試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，其中，Ma值為1，模型姿態角為10°，並且使試驗模型位於背風面，並將試驗風洞啟動吹風，通過安裝好的CCD攝像機獲取試驗模型的表面的圖像，經動態圖像採集系統將圖像傳輸至圖像處理系統，選擇合理時間節點區間內圖片組並經圖像處理系統解算處理，獲取試驗模型表面流動方向場圖譜及油流照片。
(3)、停風後，使用LED光源系統，通過照相機拍攝靜態油流圖譜，並進行圖像標識及後處理。
實施例3
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置黏度為2720mPa.s的高速風洞油流試驗油劑，使用乙醇清洗試驗模型的表面，將試驗模型安裝於試驗風洞內，並安裝LED照明光源，安裝CCD攝相機，調試CCD攝相機的鏡頭、光圈、焦距、曝光燈等時間參數，並使圖像傳輸系統與圖像處理系統連接；
(2)、將高速風洞油流試驗油劑塗抹於試驗模型的表面形成油劑層，設定不同的試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，其中，Ma值為0.5，模型姿態角為18°，並且使試驗模型位於背風面，並將試驗風洞啟動吹風，通過安裝好的CCD攝像機獲取試驗模型的表面的圖像，經動態圖像採集系統將圖像傳輸至圖像處理系統，選擇合理時間節點區間內圖片組並經圖像處理系統解算處理，獲取試驗模型表面流動方向場圖譜及油流照片；
(3)、停風後，使用LED光源系統，通過照相機拍攝靜態油流圖譜，並進行圖像標識及後處理。
實施例4
一種高速風洞油流試驗方法，包括如下步驟：
(1)、配置黏度為2620mPa.s的高速風洞油流試驗油劑，使用乙醇清洗試驗模型的表面，將試驗模型安裝於試驗風洞內，並安裝LED照明光源，安裝CCD攝相機，調試CCD攝相機的鏡頭、光圈、焦距、曝光燈等時間參數，並使圖像傳輸系統與圖像處理系統連接；
(2)、將高速風洞油流試驗油劑塗抹於試驗模型的表面形成油劑層，設定不同的試驗Ma、模型姿態角及吹風時間，其中，Ma值為1.8，模型姿態角為16°，並且使試驗模型位於背風面，並將試驗風洞啟動吹風，通過安裝好的CCD攝像機獲取試驗模型的表面的圖像，經動態圖像採集系統將圖像傳輸至圖像處理系統，選擇合理時間節點區間內圖片組並經圖像處理系統解算處理，獲取試驗模型表面流動方向場圖譜及油流照片；
(3)、停風後，使用LED光源系統，通過照相機拍攝靜態油流圖譜，並進行圖像標識及後處理。
以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。