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1、力学实验原理与方法,高速流体力学实验,2.1 基本知识 研究对象 速度划分 流动特点 实验研究分类 主要模拟参数 主要研究内容 风洞实验主要困难 典型模拟设备 2.2 测试方法 基本构成 压力测量 热流测量 天平测力 自由飞测力 油流技术 2.3 案例分析 2.4 现代实验技术,2.1 基本知识 研究对象 飞行器：超声速飞机、战术导弹、战略导弹、 航天飞机、返回式飞船、跨大气层飞 行器； 速度划分 亚声速 M0.8 跨声速 0.8M1.2 超声速 1.2M5 高超声速 M5 流动特点 可压缩性激波声障气动力 粘性 烧蚀热障气动热 电离等离子体鞘黑障气动物理,亚声速飞行,穿越大气层飞行,高超声速
2、飞行,边界层理论,升/阻力机制,声障,跨声速理论,热障、黑障,1900,1920,1940,1960,1980,2020,2000,气体动力学的突破与航空航天技术发展,普朗特,冯-卡门,钱学森,喷气推进理论,跨/超声速飞行,张新宇,高温化学反应流动,超燃/真实气体效应,高超声速技术：新理论；新概念，新方法，新技术,M 34,国家重大需求背景,M 1,M 710,M 23,航空飞行器发展,航天飞行器发展,高超声速飞行器,空天飞行器,临近空间飞行器,2.1 基本知识 实验研究分类 真实飞行试验试飞、打靶 优点：全面考察，综合检验 缺点：费用高昂，人力、物力消耗大； 测试困难，受环境因素影响大，难以
3、细致研究。 地面模拟实验超声速风洞、高超声速风洞 优点：费用低廉，容易观测，研究方便、细致； 缺点：部分检验，形式单一，需要外推数据。 主要模拟参数(相似准则) 马赫数 M压缩性 雷诺数 Re粘性 总温T0，总压P0 主要研究内容 稳定性、操纵性：气动力(力矩)，压力分布，动导数 气动加热烧蚀情况：热流分布，材料筛选 气动力(热)组合情况：气动热与气动力的耦合与相互影响 真实气体效应：气体组分,2.1 基本知识 风洞实验主要难点 工作介质需加热克服冷凝； 压力比很高风洞启动，并获得高雷诺数； 试验时间一般很短设备规模、能量和运行费用限制 典型模拟设备 暂冲型实验设备 超声速风洞 高超声速风洞
4、超燃装置 脉冲型实验设备 激波管 激波风洞-炮风洞 爆轰驱动激波风洞 特种实验设备 电弧(加热器)风洞 物理弹道靶 爆炸波模拟器,JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞 (Mach 7-20，总温 8000K，总压800 atm),JF-8A高超声速激波风洞 (Mach 6.5-15，喷管直径800mm),跨超声速激波风洞 （Mach 0.8-6，喷管直径800mm）,高温低密度激波管,脉冲实验设备,超燃模型发动机实验台 (Mach 5.6, To=2000 K, m=4kg/s),直联式超燃实验台 (M=2.5, P0=1.5MPa, T0=2100K),热等离子体流动实验系统,平面激光诱导荧光
5、组分测量系统,暂冲型实验设备,2.2 测试方法 基本构成 传感器放大器数据采集系统 系统要求：传感器、放大器、采集系统高可靠性，便于使用； 并且通道数、频响、带宽、速率等满足要求，相互匹配； 发展趋势：集成化、小型化、数字化、智能化、模块化。,2.2 测试方法 基本构成 (i) 直流放大器：,优点： 全集成电路，程控放大，摈弃琴键开关和波段开关，可靠性高； 触摸开关或计算机实现操作； RS-232接口实现远程控制； 基准电压、平衡电压一键锁定，实验前数秒钟全部自动调整完毕。,主要技术指标： 电压增益：3、10、30、100、300、1000 增益精度：0.1%(G100)，0.2%(G100)
6、 线 性 度：0.05% 频率响应：DC30KHz 恒 流 源：060mA连续可调 模拟网络：30节 附加放大：10倍，RC网络后 系统组成：16ch一台，18台任意组合，置于19”标准机柜内，净化电 源供电；通过RS-232接口实现远程控制。,2.2 测试方法 基本构成 (i) 直流放大器：,2.2 测试方法 基本构成 (ii) 高速数据采集系统：,AD转换,模拟开关,信号调理,缓冲存储,总线扩展,计算机,同轴电缆,放大器,放大器,优点： 采集方式：巡检并行 高速采集、慢速处理； 性价比高，为并行采集的1/41/3。 自行配套软件，根据实验特点，开发相应功能。,2.2 测试方法 基本构成 (
7、ii) 高速数据采集系统：,主要技术指标： 输入量程：20mV80V，基本量程2.5V 输入耦合：DC、AC 通 道 数：平均量32256ch，脉动量864 分 辨 率：12bit；精 度：0.1% 采样速率：1.25MHz，0.8S；(平均量2550S，脉动量0.81.6S) 采样字长：1K1M 触发方式：内部、外部、手动； 触发延迟：64K+64K。,压力分布 静态压力：P1、P4，真空度，充气压力 瞬态压力：P2、P5，模型表面压力 压力性质 平均压力：被测点平均值 脉动压力：高频分量 传感器类型 (压电、压阻、电阻应变、电容式、电感式) 压电式：量程宽，抗过载，抗冲击，寿命长，瞬态测量
8、 压阻式：精度高，尺寸小，性能稳定，瞬态及静态测量 风洞类型 暂冲型风洞：电子扫描阀传感器放大器采集系统 脉冲型风洞：传感器放大器采集系统 要求：量程适宜，安装可靠，接线无误，密封良好。,2.2 测试方法 “点”的压力测量 (i) 分类,基于压电效应的传感器，敏感元件由压电材料制成； 压电材料可以分为两大类： 压电晶体：石英 压电陶瓷：人工制造的多晶体压电材料 目前使用较多是钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)。,2.2 测试方法 “点”的压力测量 (ii) 压电式压力传感器,常用压电材料性能参数,压电系数、灵敏度： 压电陶瓷石英晶体 温度范围、温度稳定性、时间稳定性、机械强度： 压电陶瓷石英晶体,压电
9、传感器输出能量较小，需接前置放大器 电荷在无泄漏的情况下才能保存，测量回路输入 阻抗须无限大，对前置放大器要求很高。 压电传感器的输出可以是电压、电荷信号，对应前置 放大器：电压放大器和电荷放大器。 电荷放大器优于电压放大器： 1、电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈 电容，与电缆电容无关； 2、电压放大器的精度比电荷放大器略低。,利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路 技术制成； 单晶硅材料受到力的作用后，电阻率发 生变化，通过测量电路得到正比于力变 化的输出信号； 硅的压阻效应取决于电阻率的变化，灵 敏度较电阻应变计大50100倍。,2.2 测试方法 “点”压力测量 (iii) 压阻式压
10、力传感器,目前使用的硅压力传感器其应变电桥采用p 型扩散电阻，而应变膜是n 型硅衬底，两者之间是自然的pn 结隔离。工作温度超过120 ，应变电阻与衬底间的pn 结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，因而不能在较高温度环境下工作。,压力范围：050kPa、0.1MPa、1MPa、3.5MPa； 过载能力：2倍； 额定电压：5V 满量程输出：100mV 零位漂移：5mV 综合精度：0.05%、0.1%、0.3%、0.5% F.S 重复性：0.1% 螺纹接口：M50.5,超燃装置中的压力扫描阀,超燃冲压法发动机的实验研究中，压力测量是基础。 实验要求的压力工作范围大，从2kPa-300kPa，
11、精度的的测量系统很难得到准确结果。 提高测试系统的整体精度，由原来的12 Bit提高到16 Bit。,系统构成-8400系统,系统构成- 8400系统的优点,自带压力校准单元，自存传感器特性曲线并可实时校准，保证测量的高精度（0.05%）。节省时间、降低劳动强度。 传感器为差压测量，对压力较低的环境（kPa量级）测量精度较高。 压阻元器件，使传感器的响应时间缩短（响应时间：1毫秒 ）。 由于采用了微型模块技术，使电子扫描模块（最多一模块可测64路）可以安装在实验件内部，缩短实验件到传感器的距离，提高测量的精确度。 以太网传送数据，大大提高了传输速度。,主要验收指标,使用情况,试验次数近千次，目
12、前使用情况良好。,2.2 测试方法 “点”的热流测量 (i) 分类,热流分布 模型表面、缝隙、凸起物热流分布，关心最大热流； 热流性质 平均量：被测点热流平均值 脉动量：高频分量 测量形式 大面积、密集型、集成化 风洞类型 脉冲型风洞：传感器放大器采集系统 要求：安装可靠，接线无误，密封良好。,温度传感器测试技术 薄膜电阻温度计 同轴热电偶 半导体温度传感器 基于焦热效应的热量计 温度辐射测量技术 光学测量方法 红外辐射温度测量技术 液晶测试技术 磷光测试技术 温度敏感漆,2.2 测试方法 “点”的热流测量 (i) 分类,热流率测量研究现状 (国外CALSPAN),Stagnation hea
13、t transfer measuremnent techniques in hypersonic shock tunnel flows over spherical segments, Kenneth M. Chadwick (Calspan SRL Corp. ; Buffalo ; NY) , AIAA97-2493,“Experimental Studies of Laminar, Transitional and Turbulent Hypersonic Flows over Elliptic Cones at Angles of Attack” presented at the 22
14、nd International Symposium on Shock Waves, Imperial College, London, England, July 18-23, 1999. (Ref. 20),1mm,3.2mm,热流率测量研究现状 (国内力学所),铂薄膜电阻温度计测热传感器： 基底材料：玻璃或陶瓷； 灵敏度高、响应快、易于集成化； 大热流、强冲刷的情况下，能力不足； 气体电离的情况下，无法使用。 外形尺寸：柱形24mm， 集成的间距2.25mm；,同轴热电偶测热传感器： 两种不同材料的热电偶丝，一端连接； 响应快，但灵敏度低； 适宜驻点区附近及电离气体的测量； 外形尺寸：柱形1.62mm。,热电偶是一种基于热电效应的温度传感器。扩散电动势(接触电动势)和温差电动势,铜丝,铜丝,将铂通过真空溅射的方法溅射到玻璃的表面，铂薄膜的厚度约为 10-8m10-7m，其两端选用银浆作为引线。薄膜电阻温度计在一定温度范围内其电阻变化与温度变化成正比。,测热原理 建立在一维半无限体热传导模型基础上，金属薄膜满足如下假设： 厚度很薄，与基底厚度相比可以忽略； 吸收的热量可以忽略不计，温度可以认为是传感器表面的温度。,