壁面摩擦应力直接测量技术探讨

　　流体壁面摩擦应力是一个非常重要的物理量, 它在边界层研究中具有重要的意义.确定摩擦应力的方法有许多种,如牛顿摩擦定律法、积分法、速度分布相似律法、Preston管法、热膜法、干涉仪法等 [1~4].它们均需对速度分布或流动状态作一定假设,这就限制了其适用范围[1].直接测量摩擦应力的方法,不需要对流动状态作假设,具有可靠、直观等 优点,但也有缺点,如仪器调试复杂等.随着计算机技术的发展,以及新材料和新工艺的出现,这些缺点正在被逐渐克服.作者依据文献[1]中介绍的直接测量流 体摩擦应力的原理,制作了一台阻力天平仪,并且已用于实际测量.

　　摩擦应力τ与摩擦系数f满足下面关系

　　式中:ρ是流体密度; U是边界层外流体速度.为了易于与文献[2~4]的方法对照,本文采用无量纲量f整理实验数据.

　　1　原理简介

　　如图1所示,一块平板A用丝线吊在横梁上,气流仅对其下表面产生作用力.由力矩平衡原理得

　　式中:F表示气流作用在阻力板A下表面的摩擦力;G是A的重力;Δx是G的力臂.由于θ很小,Δy也很小,所以L近似为F的力臂.

　　已知G、L,测量Δx即可得F,称此方法为阻力位移测量法.如果在F的反方向施加一个已知力F0(使用自行制作的磁力传感器产生),使Δx=0,则F=F0,称此方法为阻力平衡测量法.用这两种方法制作的测量摩擦力的仪器均被称为阻力天平仪.

　　采用阻力平衡测量法,可以使A与周围部件之间的间隙很小,从而减小了间隙对流动测量的不利影响.

　　图2a所示的是阻力板控制流程.阻力板A左边是两个磁力传感器,由螺线管和永久磁铁构成,右边是差动式位移传感器LVDT.永久磁铁和LVDT 的铁芯固定在A上,A用丝线吊在横梁上,沿气流流动方向可自由摆动.图2b所示是阻力板安装简图.A镶入风洞壁面所开窗口中,四周与窗口间留有很小间 隙,A的受力面与风洞内壁共面.阻力天平仪的工作过程如下.当阻力板未受到气流摩擦力F的作用时,A处于平衡位置x0,通过LVDT及A/D板,把x0存 储在计算机PC中.当阻力板受到F的作用时,A发生向右的位移,位置变为x,同样经A/D把x存储在PC中.PC通过比较x与x0之间的差异,调整给D /A的数值V,由D/A控制磁力传感器功放,改变螺线管中的电流,从而使螺线管与永久磁铁之间的作用力F0发生变化,使阻力板A向平衡位置x0靠近.反复 比较x与x0之间的差异,不断调整PC给D/A的数值V,最终可使|x-x0|≤ε,ε为一很小的正数,表示A回到平衡位置.此时,F与F0平衡,阻力天 平仪处于平衡状态.

　　V(与F0等价)与F成一定对应关系,此关系式由校准预先确定[1].天平平衡时,可知V,由校准关系式就确定了F.