一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在t1時刻和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù)???????????????????????????????????????????????隨時間的變化關(guān)系，并測量得到t1時刻和t2時刻的油膜厚度；步驟二、設(shè)定初始摩擦應(yīng)力，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)隨時間的變化關(guān)系，t1時刻的油膜厚度，數(shù)值計(jì)算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計(jì)算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結(jié)果對摩擦應(yīng)力進(jìn)行修正，重新從t1時刻開始顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，當(dāng)計(jì)算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結(jié)束，此時的即為求解的摩擦應(yīng)力。通過上述方法得到油膜干涉表面摩擦應(yīng)力。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法
本專利技術(shù)涉及試驗(yàn)流體力學(xué)
，本專利技術(shù)公開了一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法。
技術(shù)介紹
摩擦阻力在飛行器的設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。對于商業(yè)飛機(jī)而言，在巡航狀態(tài)時摩擦阻力幾乎占到總阻的40％～50％，有評估認(rèn)為減少1％的阻力大約可以增加10名乘客[1]，無論是從經(jīng)濟(jì)效益還是節(jié)能環(huán)保方面來說，減阻都是非常重要的；對于高超聲速帶動力飛行器而言，摩擦阻力占到了總阻的30％，直接關(guān)系到飛行器是否可以獲得正推力以及設(shè)計(jì)方案是否成功；對于超高聲速再入滑翔類武器而言，摩擦阻力的大小直接影響其射程，關(guān)系到武器設(shè)計(jì)的成敗。傳統(tǒng)的模型表面摩擦應(yīng)力測量技術(shù)有摩阻天平、Preston管等方法，這些方法需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行仔細(xì)的校準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，因此整個實(shí)驗(yàn)非常繁復(fù)，測量誤差較大。尤其是在高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，由于來流速壓較小，模型表面的摩擦應(yīng)力只有幾帕斯卡到幾十帕斯卡，基于應(yīng)變原理的傳感器很難測量準(zhǔn)確。而Preston管等一些方法需要用探針測量靠近壁面的壓力分布，探針直接插入流場，對探針附近的流動不可避免的產(chǎn)生干擾。因此需要發(fā)展非插入、更準(zhǔn)確的測量方法。近二十年來得到大力發(fā)展的測量方法主要有MEMS、剪切液晶和油膜干涉(OilFilmInterferometry)。其中油膜干涉方法能適應(yīng)較大速度范圍的流動情況。它是一種非插入、不需要校準(zhǔn)、能應(yīng)用于曲面的摩擦應(yīng)力測量方法，分辨率較高。除此之外，它對模型的加工要求不高。油膜干涉方法的主要原理為，覆蓋在模型表面的油膜，受邊界層的剪切作用會形成楔形形狀，其厚度隨時間的變化率主要與表面摩擦應(yīng)力有關(guān)。油膜的厚度通常在微米量級，對流場基本沒有干擾，可以通過光學(xué)干涉的方法準(zhǔn)確測量。當(dāng)入射光(波長為λ)照射模型表面時，分別在空氣/油膜界面和油膜/模型界面上發(fā)生反射。兩道反射光在無窮遠(yuǎn)或相機(jī)透鏡的聚焦下相互干涉，光強(qiáng)相長或相消，表現(xiàn)為黑白相間的條紋。1962年Squire提出的薄油膜公式給出了油膜厚度與摩擦應(yīng)力的關(guān)系(見公式1)。Tanner等人首次將其應(yīng)用于干涉法摩擦應(yīng)力測量。Zilliac提出用油滴代替油線，將之應(yīng)用于三維流動，用前緣附近兩三道條紋求解摩擦應(yīng)力大小，用油滴流動方向指示摩擦應(yīng)力的方向。傳統(tǒng)的油膜干涉摩擦應(yīng)力測量技術(shù)主要應(yīng)用于低速和亞跨聲速范圍，在整個吹風(fēng)過程中油膜的粘性系數(shù)變化較小，通常被當(dāng)成一個常數(shù)進(jìn)行處理。只需要精確測量模型表面目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)在某時刻的溫度，即可獲得用于求解的粘性系數(shù)。有些解算方法雖然考慮了油膜的粘性系數(shù)隨時間的變化情況，但在實(shí)際應(yīng)用中需要連續(xù)測量油膜的溫度并進(jìn)行積分。這一過程非常繁瑣，且實(shí)現(xiàn)起來很困難。如Garrison和Ackman提出的迭代求解方法，計(jì)算公式如下：其中Cf是摩擦應(yīng)力系數(shù)，n是流線間距離，q是來流動壓，i是迭代步數(shù)，迭代的初始值使用下式。(2)式使用的是單時間步求解方法。對于常規(guī)直加熱式高超聲速風(fēng)洞而言，風(fēng)洞啟動時間較長，難以準(zhǔn)確確定油膜變形的開始時間，且由于啟動和關(guān)車階段氣流沖擊載荷較大，使用單時間步求解方法誤差較大。因此，常規(guī)高超聲速風(fēng)洞宜采用雙時間步求解方法，即在吹風(fēng)過程中，在t1和t2時刻分別記錄油膜干涉圖像。另外使用紅外熱像儀記錄t1到t2時刻油膜溫度的變化情況。由于油膜的厚度在微米量級，可以認(rèn)為模型表面的溫度就是油膜的溫度。在高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的吹風(fēng)過程中，油膜的溫度隨空間和時間均是變化的。對于使用油滴法的求解區(qū)域(5mm×5mm)，其隨時間的變化更為明顯。例如，來流M∞＝7.94的平板模型，在實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，油膜溫度變化約為0.55℃/s。顯然，當(dāng)雙時間步的時間間隔較長時，由于溫度的變化引入的誤差將非常明顯。高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的摩擦應(yīng)力系數(shù)較小，以平板模型為例，距前緣100mm處約為0.00036，在較短的時間內(nèi)(<1s)作用在油膜上的效果(油膜厚度的變化)不明顯，由相應(yīng)的干涉圖像計(jì)算油膜厚度時相對誤差較大。減小油膜的粘性系數(shù)似乎是一個可行的方法，當(dāng)油膜粘性系數(shù)足夠小時，短時間內(nèi)油膜的厚度也會發(fā)生明顯變化。但在實(shí)際的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)油膜粘性系數(shù)較小時，很容易受各種擾動的影響，導(dǎo)致干涉條紋扭曲變形，因而不能獲得準(zhǔn)確的油膜厚度。具體到數(shù)據(jù)處理方面，油膜干涉摩擦應(yīng)力測量技術(shù)主要由兩部分構(gòu)成，一是由光學(xué)干涉圖像獲得油膜的厚度，二是由油膜的厚度隨時間的變化率獲得摩擦應(yīng)力。前者顯然與溫度的變化無關(guān)，其處理方法可參考任何一本有關(guān)光學(xué)干涉方面的書籍。后者在求解薄油膜方程時需要考慮油膜粘性系數(shù)隨時間的變化。以一維情況為例，見公式(4)。雙時間步解法一種是將(4)式在t1到t2時間段積分，積分過程中將μ當(dāng)作常數(shù)；一種是做定常摩擦應(yīng)力假設(shè)(如(3)式)，分別測得t1時刻的條紋寬度為d1，t2時刻的條紋寬度為d2，條紋寬度對應(yīng)的油膜厚度差為其中λ為入射光波長，nf、na分別為硅油和空氣的折射率，θi為入射角，則摩擦應(yīng)力為上述兩種方法要么根本沒有考慮μ的變化，要么只是簡單的取μ的平均值來代替粘性系數(shù)的變化。這樣的處理帶來的誤差比較大，尤其是在高超聲速實(shí)驗(yàn)中。以雙時間步解法的第二種方法為例，t1時刻的不同、t1與t2之間間隔的不同會導(dǎo)致不同的結(jié)果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述的摩擦應(yīng)力測量方法存在沒有考慮粘性系數(shù)變化或者對粘性系數(shù)變化采用簡單平均的方式導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大的技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出了一種新的油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法。本專利技術(shù)的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在t1時刻和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變化關(guān)系，并測量得到t1時刻和t2時刻的油膜厚度；步驟二、設(shè)定初始摩擦應(yīng)力τ0，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變化關(guān)系，t1時刻的油膜厚度，數(shù)值計(jì)算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計(jì)算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結(jié)果對摩擦應(yīng)力τ0進(jìn)行修正，重新從t1時刻開始顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，當(dāng)計(jì)算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結(jié)束，此時的τ0即為求解的摩擦應(yīng)力τ。通過上述方法得到油膜干涉表面摩擦應(yīng)力，這樣的方法充分結(jié)合粘性系數(shù)的變化，同時又不需要連續(xù)測量油膜的溫度，就能夠得到準(zhǔn)確的油膜干涉表面摩擦應(yīng)力。更進(jìn)一步地，上述采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度具體包括以下的步驟：將一維情況下的薄油膜公式進(jìn)行離散，時間上采用向前差分，空間上采用中心差分，得到其中n為時間步數(shù)，i為空間步數(shù)，μn為第n個時間步時油膜的粘性系數(shù)，h表示油膜厚度，t表示時間，μ表示硅油的粘性系數(shù)，n＝(t2-t1)/Δt，x是物面坐標(biāo)。更進(jìn)一步地，上述獲取油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變化關(guān)系具體步驟為：首先多次測量油膜溫度，獲得此時間段內(nèi)硅油油膜溫度隨時間的變化關(guān)系，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的硅油粘性系數(shù)和溫度曲線獲得油膜粘性系數(shù)隨時間的變化關(guān)系。更進(jìn)一步地，上述步驟二中初始摩擦應(yīng)力τ0為：其中：μ1、μ2分別為t1和t2時刻油膜的粘性系數(shù)，d1、d2分別為t1和t2時刻油膜干涉條紋的間距(即相鄰亮條紋中心線間距離)，Δh為一倍條紋間距對應(yīng)的油本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在t1時刻和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù)隨時間的變化關(guān)系，并測量得到t1時刻和t2時刻的油膜厚度；步驟二、設(shè)定初始摩擦應(yīng)力，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)隨時間的變化關(guān)系，t1時刻的油膜厚度，數(shù)值計(jì)算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計(jì)算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結(jié)果對摩擦應(yīng)力進(jìn)行修正，重新從t1時刻開始顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，當(dāng)計(jì)算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結(jié)束，此時的即為求解的摩擦應(yīng)力。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在t1時刻和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變化關(guān)系，并測量得到t1時刻和t2時刻的油膜厚度；步驟二、設(shè)定初始摩擦應(yīng)力τ0，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變化關(guān)系，t1時刻的油膜厚度，數(shù)值計(jì)算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計(jì)算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結(jié)果對摩擦應(yīng)力τ0進(jìn)行修正，重新從t1時刻開始顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，當(dāng)計(jì)算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結(jié)束，此時的τ0即為求解的摩擦應(yīng)力τ。2.如權(quán)利要求1所述的一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其特征在于所述采用顯式時間步推進(jìn)到t2時刻，從而計(jì)算得到t2時刻的油膜厚度具體包括以下的步驟：將一維情況下的薄油膜公式進(jìn)行離散，時間上采用向前差分，空間上采用中心差分，得到其中n為時間步數(shù)，i為空間步數(shù)，μn為第n個時間步時油膜的粘性系數(shù)，h表示油膜厚度，t表示時間，μ表示硅油的粘性系數(shù)，n＝(t2-t1)/Δt，x是物面坐標(biāo)，△x為沿流線方向的條紋間距。3.如權(quán)利要求1或者2所述的一種油膜干涉表面摩擦應(yīng)力測量方法，其特征在于所述獲取油膜粘性系數(shù)μ隨時間的變...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉志勇，張長豐，
申請(專利權(quán))人：中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51