风洞静态压力分布测量实验.doc

《实验流体力学》
风洞静态压力分布测量实验
Ⅰ实验设计及数据处理程序编制
Ⅱ数据采集与分析

姓 名
学 号
实验日期
指导老师

一、实验目的
风洞测压试验是一种在风洞中测量模型表面压力分布的试验。目的是通过测量飞行器及其部件，如机翼、机身、尾翼、操纵面、外挂物等表面上的压力分布，为飞行器及其部件结构强度计算提供气动载荷分布的原始数据。通过测压实验，能够给出定量化的结果，获得模型上的压力分布信息。因此，测压试验是研究模型气动特性、验证数值计算方法的一种重要手段。
本次实验内容是测定标准模型在不同实验状态下各截面测压点的压力值，并进行数据处理，最后得到各截面的压力分布曲线随风速及迎角的变化规律。

二．实验设备
1、风洞
风洞是产生人工气流的设备，本次实验所用风洞为开口回流式低速风洞，如图1所示。其主要组成部分为实验段、扩压段、拐角和导流片、稳定段、收缩段以及动力段。

图1 D4风洞示意图

实验段尺寸：长度3.5m，宽度1.5m，高度1.5m，收缩比9；实验段风速：闭口最高风速为80m / s,
开口最高风速为60m / s；实验段湍流度为0.08%。

2、风速控制系统
D4风洞采用可控硅控制无级调速；风速控制系统组成如图1所示。本文的工作是在系统的外层增加了稳风速的闭环控制系统。风洞风速的控制采用直接数字式闭环控制。首先通过PCL727进行D/A转换，将数字量转换成模拟量4—20mA驱动电流，经过西门子驱动器来控制可控硅的输出电流，从而控制电机转速，电机拖动风扇，产生气流，使试验段获得所需的速压(其中为气体总压，为气体静压)。由差压变送器将压差转换成1-5V电压，再由压差风速转换公式计算得出风速值，经PCI1716进行A/D转换，将数字量输入计算机，通过数字PID控制器输出控制量，从而改变输出的驱动电流，达到控制风速的目的。

三、实验模型：
1、实验模型：非圆截面机身标准测压模型，如图2所示。

图2 实验模型

2、实验条件：1、固定模型迎角α= 30° ；调节实验风速： 10 米/秒-~ 25 米/秒
2、固定实验风速V= 25 米/秒；调节模型迎角：α= 10° -~ 50°

3、测压截面测压点分布及坐标定义
为绘制压力系数沿截面周向的分布曲线，给出压力分布曲线Cp=f(y/b)中横坐标的定义，如图3所示。其中，b=D/2，y为Y轴坐标。

图3 模型测压点分布及压力分布曲线横坐标定义
为方便测压实验的进行，首先将测压点进行了编号，如图4所示，按照顺时针方向从1到22。实验中将模型上的22个测压点，通过测压软管，按照编号顺序连接到DTC压力采集模块的1到22通道上。另外，DTC压力采集模块的23通道测量实验中自由来流的总压，24通道测量自由来流的静压。这样就可以通过测得的压力数据计算出模型表面的压力系数。

图4 模型测压点编号
四、测压实验数据处理
数据处理就是将数据转换为信息的过程。其基本目的是从大量的数据中根据数据自身的规律和及其相互联系，抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据，为进一步的分析提供依据。
1、实验数据说明
采集得到的原始数据文件以 .txt 形式保存。数据第1列为采集时间，第2列到第25列为传感器采集到的压力，其中，第2列到第23列对应测压点从1到22的压力，第24列为总压，第25列为静压。采集得到的压力为相对于大气压的差压，单位为Pa。由于测量流场为定常流场，实验中对所有测点进行了多次测量，数据处理时可通过平均得到每个测点的测量值。
2、根据实验数据，编写程序，计算每个测压点测得的压力系数，并绘制出模型机身截面在不同实验状态下的Cp=f(y/b)曲线，如下图5所示。压力系数要通过测得的测压点压力及总压、静压值计算。并对不同实验状态下的结果进行对比分析。
公式：

图5 绘制完成的压力系数沿模型周向的分布曲线
3、根据模型截面的Cp=f(y/b)曲线，编写程序，积分该截面的截面法向力系数CN和截面侧向力系数CY。并对不同实验状态下的结果进行对比分析。
计算截面力系数时，截面轴向宽度取单位宽度1mm，则每个测压点对应的面积为ds·1 mm2。积分采用线性叠加的方式。CN的参考面积为D·1 mm2，CY的参考面积为H·1 mm2。

图6 积分过程中相关量示意
注：为计算压力系数和截面法向力、侧向力系数，所需相关数据见表1。

表1 测压点相关参数
测压点编号
1
2
3
4
5
6
7
8
Y坐标/mm
-15
-30
-45
-60
-60
-50
-40
-30
Z坐标/mm
-66.75
-57.17
-41.07
-18.57
13.93
25.714
35.359
42.882
法向Z轴分量
0.921
0.758
0.614
0.504
-0.614
-0.682
-0.758
-0.841
法向Y轴分量
-0.39
-0.652
-0.789
-0.864
-0.789
-0.731
-0.652
-0.541
积分长度ds/mm
9.52
11.403
14.03
19.787
14.218
8.389
7.55
6.819

测压点编号
9
10
11
12
13
14
15
16
Y坐标/mm
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Z坐标/mm
48.203
51.396
52.5
51.396
48.203
42.882
35.359
25.714
法向Z轴分量
-0.921
-0.977
-1
-0.977
-0.921
-0.841
-0.758
-0.682
法向Y轴分量
-0.39
-0.212
0
0.212
0.39
0.541
0.652
0.731
积分长度ds/mm
6.244
5.884
5.76
5.884
6.244
6.819
7.55
8.389

测压点编号
17
18
19
20
21
22

Y坐标/mm
60
60
45
30
15
0

Z坐标/mm
13.93
-18.57
-41.07
-57.17
-66.75
-70

法向Z轴分量
-0.614
0.504
0.614
0.758
0.921
1

法向Y轴分量
0.789
0.864
0.789
0.652
0.39
0

积分长度ds/mm
14.218
19.787
14.03
11.403
9.52
8.829

4、根据实验所得数据编写程序，得到各个实验条件下得Cp值。（程序见附件1，计算结果见附件2-9）根据数据处理结果，作出各个条件下的Cp-y/b图，如下所示：

图 7 v10-a30

图8 v15-a30

图9 v20-a30

图10 v25-a30

图11 v25-a10

图12 v25-a20

图13 v25-a40

图14 v25-a50
从图中可见：气流经过该机身截面的流动图画，有类似圆柱扰流的特征。最大正压点为22点；最大负压点为8、14点附近，该点为速度最大点。
⑴通过图7~10可以看出，当攻角确定为30°速度从10 m/s²~25 m/s²变化时，有如下规律：
①随着速度的增加，流动现象基本不变，特征点位置基本没有变化。只有最大负压增加，升力增加
⑵通过图10~13可以看出，当速度确定为25 m/s²，攻角从10°~50°变化时，有如下规律：
①攻角为10°时，截面上全部都为负压区
②随着攻角增加，从截面尾部逐渐出现正压区
5、根据模型截面的Cp=f(y/b)曲线，编写程序，积分得到了该截面的截面法向力系数CN和截面侧向力系数CY，将结果列表如下（程序见附录11）
v a CN CY
10 30 .26841 .00491
15 30 .27535 .01041
20 30 .28086 .00967
25 30 .28539 .00744
25 10 .02728 -.00068
25 20 .11880 -.00164
25 40 .39287 .00584
25 50 .47948 -.00242
①攻角不变时，随着速度的增加，CN即升力系数增加，CY是个小量，先增加后减小。
②速度不变时，随着攻角的增加，CN增加，CY的变化规律不太明显。
通过比较可知，对于机身模型，升力随着速度和攻角的增加而增大，失速攻角很大，超过50°。

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