《三角翼前缘涡流动显示实验》
实验指导书
空气动力学与风洞实验室
20##年6月
三角翼前缘涡流动显示实验
一、实验目的
1. 掌握染色流动显示技术的基本原理、应用方法和实验过程中的技术问题。
2. 观察随攻角变化，三角翼前缘涡的形成和结构特征、前缘涡破裂现象和特性，利用所学知识分析实验结果。
二、基本原理
流动显示技术是流体力学的两个基本测试手段之一（另一个是定量测量，如测力、测压等）。流动显示是通过一定的技术手段使绕物体的流动可视化的一种流体力学实验方法。一方面可以用来验证理论分析和数值模拟的结果，另一方面对无法用理论分析和数值模拟方法进行研究的复杂流动现象，流动显示方法可以得到一些重要结果。通常水中流动显示结果要比空气中效果好，并且实验技术成熟、易于实施，费用低。
水洞中常用的流动显示技术有氢气泡方法和染色方法等（属于示踪粒子方法），配以激光片光源等辅助手段可以得到很多有意义的细节结果。染色显示技术选用有色液体作为示踪物质。色液的物理性质（如比重和运动粘性系数等）要求尽量和水接近以满足跟随性要求。为了清晰地显示并减少对设备的污染和腐蚀，要求所用色液不易扩散、不易附着于物体，腐蚀性小，流动性好，不易沉淀和透光性小。常用的色液包括墨水、食品色、高锰酸钾溶液等。除此之外，染色流动显示实验中要求色液注入速度在大小和方向上应和当地水流一致，尽可能避免对流场产生不适当的影响，如明显的射流等。
绕三角翼的前缘分离涡结构稳定，流动显示效果好。关于三角翼前缘涡的形成和结构特征、涡破裂等现象既有理论研究价值又有很强的航空航天应用背景。机翼前缘分离涡可产生非线性涡升力，增大飞机升阻比；另一方面同时伴随有侧向力；旋涡破裂会导致升力迅速下降。绕大后掠尖前缘三角翼典型流动现象：
小攻角时仅出现气泡分离；中等攻角（α=20 o～25 o）时，形成两个大涡，三角翼表面上存在再附和二次分离现象；大攻角时出现对称涡和非对称涡结构。α=35 o～40 o时，对称涡结构转变为非对称涡结构。涡破裂首先发生在翼面后缘部分，然后随攻角增大，破裂点向上游移动。旋涡破裂可能是对称的，也可能是非对称的。
三、实验设备和实验装置
2.1 水洞设备
“北航1.2米多用途低速水洞” 为串联水平回流式。该水洞实验段尺寸大、流场品质高，与同类设备比较，不但在国内领先，而且达到国际先进水平。设备主实验段1.2米×1米×16米（高×宽×长），流速范围0.1～1.0米/秒。主实验段主要流场品质：湍流度0.27％～0.45％，截面速度不均匀度：0.46％。
2.2 实验装置
实验装置如图1所示，包括变攻角支架、三角翼模型和染色液注入装置等三部分组成。图中矩形虚线包围部分表示被模型遮挡部分。
实验模型采用尖前缘三角翼，后掠角76度，翼根弦长455mm。为便于观测，模型平面垂直于水洞底壁安装（攻角为零时，模型平行于水洞侧壁）。模型上共有4个染色液出孔，如图2所示，分别标为“前上”，“前下”，“后上”和“后下”，并与模型内部埋设的有不锈钢管相通。染色液出孔位置设计非常重要，应根据所要观测的现象进行设计和调整，以达到最佳的显示效果。
变攻角机构支撑模型同时实现改变模型攻角。有效攻角变化范围可达70度。
染色液注入装置中，盛有色液的容器高度位置可调，即压力可调。色液通过细塑料管进入模型内部的不锈钢管。调节色液容器高度和流量控制钮使色液能够连续、均匀、稳定地从模型的小孔流出。
本次实验采用红蓝两色食品色溶液作显示色液。模型上，前面两个染色液出孔注红色，后面两个孔注蓝色，如图2所示。
四、实验步骤
1. 模型安装和实验准备，连接染色液注入系统。
2. 开车启动水洞，水流速度调整到5cm/s；
3. 调节攻角到α=10o；
4. 待流场稳定后，调节染色液容器的高度和色液流量，直到得到清晰的流动结构显示形态。注意避免明显的射流干扰。
5.观察稳定的流态，拍摄照片（注意应包括典型长度作为比例尺，如模型的后缘展长）；
6. 调节攻角到α=20o，25o，30o，32o，35o，40o，45o，50 o，55 o，60 o，重复步骤4--5，直到所要求的攻角状态实验全部完成。
五、实验报告
实验记录：
1. 水温 t= oC； 2. 水流速度 U = 米/秒；
3. 前缘涡破裂出现的攻角 α= o；
计算：
水的运动粘性系数 υ= 米2秒；
雷诺数 Re = UC根/υ= ；（C根为三角翼模型根弦长）
附：水的运动粘性系数随温度的变化：
根据实验照片，记录前缘分离涡破裂点：
三角翼前缘涡（左右两条）破裂点位置随攻角的变化
1. 根据实验照片记录结果，给出三角翼前缘涡破裂点位置随攻角变化的结果（上表），并给出变化曲线图（上图）。
2. 根据实验结果，试简单描述随攻角变化，三角翼模型背风面的典型流态变化。
六. 思考题
1. 染色显示实验中，可能影响真实流态的主要因素有那些？
2. 本次实验中观察的的三角翼的前缘涡的形成及其破裂现象会给飞行器带来那些有利和不利影响？
3. 在空气中的飞行器绕流现象为什么能够在水洞中进行流动显示研究？
第二篇：仿真实验报告-演示实验
近代大学物理实验报告
演示实验
实验一：电磁炮
实验目的：了解电磁炮原理及其相关应用。
实验原理: 电磁炮是利用电磁力（洛伦磁力代替火药力）眼导轨发射炮弹的武器。它主要由能源、加速器、开关三部分组成。位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中做切割磁感线的运动，导线上也会产生电流。这就是法拉第电磁感应定律。也就是电磁 1
炮的工作原理。
一
个简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成。根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场相互作用，产生洛伦磁力，使弹丸加速运动并发射出去。
应用：由于可以获得较大速度，目前在军事领域应用广泛。
实验二：超导磁悬浮列
实验目的：利用超导体对永磁体的排斥作用演示磁悬浮列车
实验原理：超导是超导电性的简称，它是指金属在极低温度下温度变为零的性质。将液氮放入小车内，由于液氮温度极低，当液氮挥发到一定程度时，小车成为超导体。当将一个永磁体移近超导体表面时，因为磁力线不能进入超导体内，所以在超导体表面形成很大的磁通密度梯度，感应出高 2
临界电流，从而对永磁体产生排斥。排斥力随相对距离的减小而逐渐增大，它可以克服超导体的重力，使其悬浮在永磁体上方的一定高度上。
应用：目前利用这一性质制造的磁悬浮列车应用广泛。由于列车不与轨道接触，在运行时产生阻力小，使列车可以达到较高运行速度。
实验三：鱼洗
实验目的：通过实验观察受迫震动，了解受迫震动产生的原理。
实验原理：古代盥洗用具，金属制。形似现在的脸盆。盆底装饰有鱼纹的，称“鱼洗”。鱼洗奇妙的地方是，当盆内注入一定量清水，用潮湿双手来回摩擦铜耳时，可观察到伴随着鱼洗发出的嗡鸣声中有如喷泉般的水珠从四条鱼嘴中喷射而出，水柱高达几十厘米。用手缓慢有节奏地摩擦盆边两 3
耳，盆会象受击撞一样振动起来，盆内水波荡漾。摩擦得法，可喷出水柱。当两手搓双耳时，产生两个振源，振波在水中传播，互相干涉，使能量叠加起来，所以这些能量较大的水点，会跳出水面。这是符合物理学的共振
原理的。鱼洗的制作，无疑涉及到固体振动在液体中传播和干扰的问题。
从振动与波的角度来分析是由于双手来回摩擦铜耳时，形成铜盆的自激振荡，这种振动在水面上传播，并与盆壁反射回来的反射波叠加形成二维驻波。
理论分析和实验都表明这种二维驻波的波形与盆底大小、盆口的喇叭形状等边界条件有关。
实验四：飞机升力演示
实验目的：通过乒乓球演示飞机升力，了解飞机产生升力的原理
实验原理：
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空气属于流体，在流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。飞机机翼上面流速大，压强小于下面的压强，产生向上的力，
这个力就是升力。
从空气流过机翼的流线谱可以看出：相对气流流过机翼时，分成上下两股，分别沿机翼上、下表面流过，而在机翼的后缘重新汇合向后流去。因机翼表面突起的影响，上表面流线密集，流管细，其气流流速快、压力小；而下表面流线较稀疏，流管粗， 其气流流速慢，压力较大。因此，产生了上下压力差。这个压力差就是空气动力(R)， 它垂直流速方向的分力就是升力(Y)。升力维持飞机在空中飞行。螺旋桨提供一个速度，是飞机向前运动，驾驶员控制方向盘，也就是机翼和机尾，使产生合适升力。
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