一种湍流边界层流场结构测量的热线装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种湍流边界层流场结构测量的热线装置和方法，属于实验流体力学领域。该实验装置包括风洞、测试平板、热线探头、速度采集器、导轨、三角支架、步进电机。测试平板固定于风洞实验段中央，导轨固定于测试平板上方的实验段壁面，热线探头与速度采集器连接并固定于三角支架上，三角支架与导轨连接，步进电机控制热线探头的空间位置。该方法可以精确测量流场中任意具体点处的速度，从而得到一定范围内的速度分布，通过一定的后处理，可以得到流场结构的一些特征。通过比较相应特征可以合理推测流场结构的变化。本装置原理简单，易于实现。本发明专利技术还公布了一种基于热线装置的湍流边界层流场结构测量的方法。

A hot wire device and method for measuring the flow field structure of turbulent boundary layer

【技术实现步骤摘要】
一种湍流边界层流场结构测量的热线装置和方法
本专利技术涉及一种湍流边界层流场结构测量的热线装置和方法，用于5～15m/s流速下平板壁面湍流边界层流场结构的测量，属于实验流体力学测试

技术介绍
热线风速仪可以精确采集某点时序速度变化。在湍流流场中，通过测量不同点的时序速度，经过一定的处理，可以得到相应结构的变化，相较于传统可视化的流场结构分析，他可以直接获得结构变化的统计量变化，从数值方面分析结构变化，从不同角度观察流场结构的变化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种空气环境下的测量湍流流场结构的实验装置，本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术测量湍流边界层流场结构的装置，包括风洞、测试平板、热线探针、速度采集器、导轨、三角支架、步进电机；所述风洞由进气段、稳定段、收缩段、实验段、扩张段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，空气从进气段向出口段流动；在实验段内先后设置有压力传感器和测试平板，在动力段内部设置有变频电机、动力叶片及整流静叶片；所述测试平板包括支撑架、透明平板、压力梯度调节板、电推杆、辅助支架、粗糙带、转捩拌线；透明平板置于支撑架上且水平固定在所述的空气通道实验段中央；辅助支架前缘与支撑架后缘铰接，辅助支架后缘与支撑架通过电推杆连接，压力梯度调节板固定于辅助支架上，粗糙带和转捩拌线依次布置于透明平板前缘；所述的导轨固定在测试平板上方的实验段壁面上，导轨与空气流动方向平行；三角支架安装于导轨上，热线探头固定于三角支架并且探头金属丝与平板呈水平。步进电机通过蜗杆驱动滑块在导轨上移动，步进电机通过信号线与实验段外的步进电机控制箱连接，共配备三台步进电机实现x,y,z三轴可控移动；热线探头通过信号线与实验段外的速度数据采集盒及计算机连接。所述的测量平板湍流摩擦阻力实验装置的使用方法，包括如下步骤：测试前将热线探头在当前温度、湿度条件下完成标定。控制步进电机驱动导轨上的三角支架移动，使得热线探头到达指定平面测试位置同时尽可能靠近实验平板，记录探头与壁面距离。调整好热线位置后，通过控制动力段的变频电机及动力叶片，使得风洞内产生指定速度流场。在实验段形成流动速度均匀性好、湍流度低的稳定流动之后，控制z轴方向步进电机，逐渐升起热线探头，通过计算机控制速度数据采集盒，对热线探头采集的速度值进行收集；整个过程中，通过压力传感器测得的数据获得实验段内的气体流速，通过控制变频电机的转速调节整个空气通道内气体的流速，通过控制电推杆调节压力梯度调节板的角度，从而调节测量平板上表面流动的压力梯度分布，达到零压力梯度分布状态。通过得到的各点时序速度，可以得到其脉动速度、偏斜因子(三阶统计量)、平坦因子(四阶统计量)等统计结果。其中：脉动速度偏斜因子平坦因子u′为时均速度。脉动速度增加，反映为近壁区逆序结构被抬升；偏斜因子与平坦因子反映脉动速度概率密度分布的不均匀性和湍流的间歇性，偏斜因子与平坦因子的增加反映出粘性底层的抬升。同时能够通过对各测试点进行自相关运算得到其自相关函数自相关系数与流动尺度有着一定的关系，自相关系数减小意味着流动结构的减小。本专利技术利用压力传感器、变频电机控制器、变频电机组成的控制系统实现空气通道中气体流动速度的一体化控制；通过压力传感器测得的数据获得实验段内的气体流速，然后通过变频电机的转速调节整个空气通道内气体的流速，所有的控制都由计算机控制，可以实时显示整个空气通道内空气的流速、温度，可以实现自动控制，设计原理可靠，操作容易，测试准确。本专利技术通过热线测量平板湍流摩擦阻力的实验装置和方法，能够通过测量计算得到流场中的时均速度，直接计算的其高阶统计量。本专利技术空气通道装置操作和控制简便，通过计算机控制变频风机的转速，压力传感器测量压力差并转换为流速，可实现5～30m/s范围内流速连续调节和实时监控，获得均匀流速、湍流度低的实验气流，实现稳定的实验气流。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1是根据本专利技术实施的测量湍流边界层流场结构的实验装置结构原理示意图。图2是本专利技术测量湍流边界层流场结构的实验装置中测试平板的结构示意图。附图1和附图2中，标记如下：1-进气段，2-整流网，3-稳定段，4-收缩段，5-实验段，6-扩张段，7-拐角段，8-动力段，9-出口段，10-转捩拌线、粗糙带，11-步进电机，12-导轨，13-三角支架，14-热线探针，15-支撑架，16-压力梯度调节板。具体实施方式下面结合附图1和图2及实施例对本专利技术做更详细的描述。根据本专利技术提供的测量平板湍流摩擦阻力的实验装置，如图1、图2所示，包括进气段1、整流网2、稳定段3、收缩段4、实验段5、扩张段6、拐角段7、动力段8、出口段9顺次连接形成的风洞，构成一套完整的空气循环系统，空气流动方向为由进气段经整个风洞流向出口段。实验段为矩形截面，测量平板包括透明平板9，通过支撑架15水平固定在空气通道实验段8的中央，在测试平板之前实验段5内部设置压力传感器。测量平板还包括压力梯度调节板16、辅助支架、粗糙带10、转捩拌线10；辅助支架前缘与支撑架15尾部铰接，辅助支架后缘与支撑架18通过电推杆连接，压力梯度调节板16固定于辅助支架上，粗糙带10和转捩拌线10依次布置于透明平板的前缘，使板上流动充分发展为湍流。导轨12与空气流动方向平行，固定在测试平板和支撑架15上方风洞实验段5的壁面上；步进电机11通过蜗杆驱动三角支架13在导轨12上沿平行空气流动方向移动，热线探头14固定于三角支架13随三角支架13在导轨12上沿平行空气流动方向移动。实验开始前，将热线探头14在当前温度、湿度条件下完成标定。控制步进电机11驱动导轨12上的三角支架13移动，使得热线探头14到达指定平面测试位置同时尽可能靠近测试平板，记录探头与壁面距离。调整好热线位置后，通过控制动力段8的变频电机及动力叶片，使得风洞内产生指定速度流场，在实验段5形成流动速度均匀性好、湍流度低的稳定流动之后，控制步进电机11，逐渐升起热线探头14，通过计算机控制速度数据采集盒，对热线探头14采集的速度值进行收集；整个过程中，通过压力传感器测得的数据获得实验段内的气体流速，通过控制变频电机的转速调节整个空气通道内气体的流速，通过控制电推杆调节压力梯度调节板的角度，从而调节测量平板上表面流动的压力梯度分布，达到零压力梯度分布状态。通过得到的各点时序速度，我们可以得到其脉动速度、偏斜因子(三阶统计量)、平坦因子(四阶统计量)等统计结果。其中脉动速度偏斜因子平坦因子u′为时均速度，N为采集点的个数。脉动速度增加，反映为近壁区逆序结构被抬升；偏斜因子与平坦因子反映脉动速度概率密度分布的不均匀性和湍流的间歇性，偏斜因子与平坦因子的增加反映出粘性底层的抬升。同时能够通过对各测试点进行自相关运算得到其自相关函数自相关系数与流动尺度有着一定的关系，自相关系数减小意味着流动结构的减小。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湍流边界层流场结构测量的热线装置，其特征在于：包括风洞、测试平板、热线探头、数据采集器、导轨、三角支架、步进电机；所述风洞由进气段、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，在实验段内按气流方向先后设置有压力传感器和测试平板，在动力段内部设置有变频电机、动力叶片及整流静叶片；所述测试平板包括支撑架、透明平板、压力梯度调节板、电推杆、辅助支架、粗糙带、转捩拌线；透明平板置于支撑架上且水平固定在所述的风洞实验段中央；辅助支架前缘与支撑架后缘铰接，辅助支架后缘与支撑架通过电推杆连接，压力梯度调节板固定于辅助支架上，粗糙带和转捩拌线依次布置于透明平板前缘；所述的导轨固定在测试平板上方的实验段壁面上，三角支架安装于导轨滑块上，与速度采集器相连的热线探头固定于三角支架上，且热线探头金属丝与平板水平；步进电机通过蜗杆驱动滑块在导轨上移动，步进电机通过信号线与实验段外的步进电机控制箱连接，共配备三台步进电机实现x,y,z三轴可控移动；热线探头通过信号线与实验段外的速度数据采集盒及计算机连接。

【技术特征摘要】
1.一种湍流边界层流场结构测量的热线装置，其特征在于：包括风洞、测试平板、热线探头、数据采集器、导轨、三角支架、步进电机；所述风洞由进气段、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，在实验段内按气流方向先后设置有压力传感器和测试平板，在动力段内部设置有变频电机、动力叶片及整流静叶片；所述测试平板包括支撑架、透明平板、压力梯度调节板、电推杆、辅助支架、粗糙带、转捩拌线；透明平板置于支撑架上且水平固定在所述的风洞实验段中央；辅助支架前缘与支撑架后缘铰接，辅助支架后缘与支撑架通过电推杆连接，压力梯度调节板固定于辅助支架上，粗糙带和转捩拌线依次布置于透明平板前缘；所述的导轨固定在测试平板上方的实验段壁面上，三角支架安装于导轨滑块上，与速度采集器相连的热线探头固定于三角支架上，且热线探头金属丝与平板水平；步进电机通过蜗杆驱动滑块在导轨上移动，步进电机通过信号线与实验段外的步进电机控制箱连接，共配备三台步进电机实现x,y,z三轴可控移动；热线探头通过信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑耀，叶志贤，蒋逸阳，田泽南，莫邵昌，邹建锋，张阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33