煙線顯示技術在低速風洞實驗中的應用

賈永霞， 劉錦生

(1.清華大學 航天航空學院，北京 100084; 2. 清華大學 力學國家級實驗教學示范中心， 北京 100084)

風洞是研制飛行器、快速移動工具的地面實驗平臺，也是流體力學基礎研究的重要實驗平臺。清華大學航天航空學院的三臺教學風洞于2016年7月建成，圍繞該風洞開展了諸多新穎、趣味、有價值的科學實驗和教學演示，該風洞已經成為“流體力學”“空氣動力學”“實驗室探究課”“大學生研究訓練計劃”等課程的重要教學實踐平臺。

顯示技術是研究復雜科學與工程問題的有力工具，是流體力學實驗技術的重要組成部分。通過各種流動顯示實驗，可以了解復雜的流動現象，探索其物理機制，為人們發現新的流動現象，建立新的概念和物理模型提供依據[1]。流動現象的顯示方法包括實驗顯示方法和數值顯示方法，前者是通過實驗手段對直觀上觀察不到的流動現象進行可視化；后者是通過數值計算并用計算機圖像方法進行可視化。實驗流動顯示方法包括絲線法、煙線法、染色線法、云母晶片示蹤法、氫氣泡法、激光誘導熒光法、粒子圖像法、層析技術等[2-9]。流動顯示技術應用于風洞實驗研究具有重要的意義。通過流動顯示可以揭示復雜的流動現象，從而幫助學生認識作用于各種實驗模型上的空氣動力學規律。在風洞實驗演示中，實驗模型結構可為各種球類、三角翼、非對稱翼型、民用和軍用飛機模型以及汽車模型等。本文主要介紹煙線顯示技術及其在風洞教學實驗中的應用。

1 煙線流動顯示技術

煙線法基本原理是在細的金屬絲上涂以甘油、石蠟油等發煙液體，通電流讓其受熱釋放煙霧顆粒，隨氣流形成可見的煙霧顯示流動圖譜。發煙電阻絲通常選取不銹鋼絲、鎢絲或鎳鉻絲，絲的直徑由流速決定。另外，為了減小絲線對流動的擾動，絲線直徑的雷諾數應低于20[3]。通常實驗中，絲線的最優直徑大約為0.1 mm。選擇發煙白、濃密、無毒、無腐蝕性、黏度較大的油如甘油，在電阻絲上會結成許多小的油珠。電源采用連續或脈沖式。發煙控制裝置控制發煙時刻、時間及煙濃度。采用白光燈照亮實驗模型，利用高速相機進行拍攝或者肉眼觀測。這一方法在定常流動中可以顯示流線、脈線、跡線、時間線，并且可以精確控制，實驗結果可以進行數字化處理，可得到瞬時與平均速度場、脈動速度場等統計量，適合在風洞實驗中使用。圖1為煙線控制系統示意圖。

圖1 煙線控制系統示意圖

2 教學風洞

教學風洞見圖2，包括低湍流度的回流閉口風洞和直流開口風洞。回流閉口風洞由動力段、穩定段、收縮段、實驗段、擴張段、拐角導流片等組成。穩定段安裝有蜂窩器和多層阻尼，以提高實驗段的流場品質。擴張段的擴張角小于5°，避免壁面發生流動分離。回流閉口風洞的風速可達20 m/s，實驗段截面積為30 cm×30 cm，實驗段長度為50 cm。直流開口風洞的風速可達10 m/s，實驗段截面積為10 cm×10 cm，實驗段長度為20 cm。

圖2 教學風洞

3 實驗模型

風洞中的煙線流動顯示實驗采用的模型包括不同表面結構的球類(高爾夫球、光滑球)、三角翼、飛機A380、殲-20和蘭博基尼汽車模型。飛機A380模型的縮比為1∶450。殲-20模型的縮比為1∶144。蘭博基尼汽車模型的縮比為1∶18。

4 流動顯示結果

4.1 高爾夫球與光滑球流動顯示

高爾夫球與光滑球流動顯示結果見圖3。實驗表明，在相同的流速下，氣流經過高爾夫球時，高爾夫球的分離點晚于光滑球的分離點。飛行的球表面附近出現邊界層分離是由流體的黏性引起。光滑球表面的邊界層分離較早，球的迎風面與背風面形成的壓差阻力較大。布滿多邊形小坑的高爾夫球飛行時，小坑附近形成一些很小的旋渦，旋渦中心流體的壓力小，具有吸力的作用，高爾夫球表面的邊界層分離點的位置相對于光滑球延遲，進而壓差阻力減小。在高爾夫球后面所形成的大旋渦區比光滑球所形成的旋渦區小很多， 從而使得前后壓差阻力大為減小[10]。因此高爾夫球表面布滿多變性小坑在其飛行時起到減阻效果。

圖3 高爾夫球和光滑球流動顯示結果

4.2 三角翼流動顯示

現代飛行器器(如戰斗機、導彈等)為實現大迎角、超機動飛行和改善過失速機動性能，通常采用三角翼，利用分離渦產生升力，實現大攻角和超機動飛行[11-12]。三角翼上流場在一定攻角下，沿前緣的分離流形成自由剪切層，剪切層卷起而形成前緣渦，前緣渦誘發沿展向的逆壓梯度，出現二次分離。前緣渦產生非線性渦升力，提高飛行的穩定性。圖4為后掠角為45o的三角翼前緣渦的流動顯示，可以觀察到螺旋渦結構向下游的演化過程。

4.3 飛機及汽車模型流動顯示

圖5為殲-20飛機模型在不同攻角下的流動顯示。隨著攻角的增大，座艙表面出現分離，機身下表面的氣流由下向上繞，形成分離渦結構。圖6為A380飛機模型在不同攻角下的流動顯示。圖7為蘭博基尼汽車模型的繞流流動顯示。汽車模型周圍的流線幾乎貼著其表面運動，其表面流線型設計極大地降低了壓差阻力，實現跑車快速前進的性能。

圖4 三角翼模型流動顯示

圖5 殲-20飛機模型流動顯示

圖6 A380飛機模型流動顯示

圖7 蘭博基尼汽車模型流動顯示

5 結論

本文設計的風洞中的煙線顯示實驗平臺對高爾夫球、光滑球、三角翼、飛機及汽車模型周圍的流場進行了流動顯示。該可視化技術為流動現象的演示提供了一種可靠的方法，可以顯示風洞中對各種實驗模型周圍的流動結構，讓學生對模型設計中蘊含的流體力學原理有深入的理解，并對流體黏性引起的流動分離及分離后的流場演化過程有直觀的認識。本實驗將來可通過粒子圖像測速技術對模型周圍的流動進行定量測量與演示。

References)

[1] 范潔川. 流動顯示技術的若干現狀與發展[J]. 氣動實驗與測量控制， 1995， 9(1):10-17.

[2] Lee Cunbiao， Wu Jiezhi. Transition in wall-bounded flows [J]. Appl Mech Rev， 2008， 61(3):030802.

[3] Smits A J， Lim T T. Flow visualization: techniques and examples [M]. Imperial College Press， 2012: 59-62.

[4] 姜楠. 壁湍流相干結構的教學實驗(一):湍流近壁區相干結構的流動顯示[J]. 力學與實踐， 1999，21(1):61-62.

[5] Adrain R J. Particle-Imaging Techniques for Experimental Fluid Mechanics [J]. Annu Rev Fluid Mech， 1991，23(23):261-304.

[6] 賈永霞， 姜楠. 壁湍流調制雷應力和擬序結構應變率空間形態的層析PIV實驗研究[J]. 實驗流體力學， 2012， 26(3):6-16.

[7] 賈永霞， 彭杰. 高分子溶液彈性失穩教學實驗平臺開發及應用[J]. 力學與實踐， 2017， 39(1):75-78.

[8] 王振東. 大風起兮云飛揚:漫話流動顯示及納斯方程[J]. 自然雜志， 2006， 28(5):292-294.

[9] 楊義紅， 尹協振， 陸夕云. 二維波動板流動顯示方法研究[J]. 實驗流體力學， 2005， 19(2):84-90.

[10] 武際可. 從麻臉的高爾夫球談起:流體中運動物體的阻力和升力[J]. 力學與實踐， 2005，27(5):88-92.

[11] 閻超， 李亭鶴， 黃賢祿. 三角翼上分離及渦流的數值模擬[J]. 力學進展， 2001， 31(2):227-242.

[12] 李進學， 張維智， 王丹. 利用激光片光技術進行雙三角翼剖面流動顯示研究[J]. 流體力學實驗與測量， 2000， 14(2):35-39.