一种油膜干涉表面摩擦应力测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及试验流体力学技术领域，本发明公开了一种油膜干涉表面摩擦应力测 量方法。
【背景技术】
[0002] 摩擦阻力在飞行器的设计中占有非常重要的地位。对于商业飞机而言，在巡航状 态时摩擦阻力几乎占到总阻的40%~50%，有评估认为减少1%的阻力大约可以增加10名 乘客[1]，无论是从经济效益还是节能环保方面来说，减阻都是非常重要的；对于高超声速 带动力飞行器而言，摩擦阻力占到了总阻的30%，直接关系到飞行器是否可以获得正推力 以及设计方案是否成功；对于超高声速再入滑翔类武器而言，摩擦阻力的大小直接影响其 射程，关系到武器设计的成败。
[0003] 传统的模型表面摩擦应力测量技术有摩阻天平、Preston管等方法，这些方法需要 在实验前进行仔细的校准，在实验后对测量数据进行修正，因此整个实验非常繁复，测量误 差较大。尤其是在高超声速风洞实验中，由于来流速压较小，模型表面的摩擦应力只有几帕 斯卡到几十帕斯卡，基于应变原理的传感器很难测量准确。而Preston管等一些方法需要 用探针测量靠近壁面的压力分布，探针直接插入流场，对探针附近的流动不可避免的产生 干扰。因此需要发展非插入、更准确的测量方法。近二十年来得到大力发展的测量方法主 要有MEMS、剪切液晶和油膜干涉（Oil Film Interferometry)。
[0004] 其中油膜干涉方法能适应较大速度范围的流动情况。它是一种非插入、不需要校 准、能应用于曲面的摩擦应力测量方法，分辨率较高。除此之外，它对模型的加工要求不高。 油膜干涉方法的主要原理为，覆盖在模型表面的油膜，受边界层的剪切作用会形成楔形形 状，其厚度随时间的变化率主要与表面摩擦应力有关。油膜的厚度通常在微米量级，对流场 基本没有干扰，可以通过光学干涉的方法准确测量。
[0005] 当入射光（波长为A)照射模型表面时，分别在空气/油膜界面和油膜/模型界 面上发生反射。两道反射光在无穷远或相机透镜的聚焦下相互干涉，光强相长或相消，表现 为黑白相间的条纹。
[0006] 1962年Squire提出的薄油膜公式给出了油膜厚度与摩擦应力的关系（见公式 1)。Tanner等人首次将其应用于干涉法摩擦应力测量。Zilliac提出用油滴代替油线，将 之应用于三维流动，用前缘附近两三道条纹求解摩擦应力大小，用油滴流动方向指示摩擦 应力的方向。
【主权项】
1. 一种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在tl时刻 和t2时刻之间，获取油膜粘性系数#随时间的变化关系，并测量得到tl时刻和t2时刻的 油膜厚度；步骤二、设定初始摩擦应力fn，并根据步骤一得到的油膜粘性系数P随时间的 变化关系，tl时刻的油膜厚度，数值计算薄油膜方程，并采用显式时间步推进到t2时刻，从 而计算得到t2时刻的油膜厚度；步骤三、比较计算得到的t2时刻的油膜厚度与测量得到的 t2时刻的油膜厚度，并根据比较结果对摩擦应力％进行修正，重新从tl时刻开始显式时间 步推进到t2时刻，当计算所得的油膜厚度与测量得到的油膜厚度一致时循环结束，此时的 %即为求解的摩擦应力t。
2. 如权利要求1所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述采用显式 时间步推进到t2时刻，从而计算得到t2时刻的油膜厚度具体包括以下的步骤：将一维情况 下的薄油膜公式进行离散，时间上采用向前差分，空间上采用中心差分，得到
其中n为时间步数，i为空间步数，< 为第n个时 间步时油膜的粘性系数，h表示油膜厚度，t表示时间，y表示硅油的粘性系数，n= (t2-tl) /Al，x是物面坐标。
3. 如权利要求1或者2所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述获 取油膜粘性系数#随时间的变化关系具体步骤为：首先多次测量油膜温度，获得此时间段 内硅油油膜温度随时间的变化关系，并根据预先标定的硅油粘性系数和温度曲线获得油膜 粘性系数随时间的变化关系。
4. 如权利要求1或者2所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述步 骤二中初始摩擦应力r0为
其中：M分别为tl和t2时刻油 膜的粘性系数，、^2分别为tl和t2时刻油膜干涉条纹的间距，AA为一倍条纹间距对应 的油膜厚度差。
5. 如权利要求1或者2所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述步 骤三中比较计算得到的t2时刻的油膜厚度与测量得到的t2时刻的油膜厚度具体为：当油 膜干涉图像质量较高时，直接比较计算得到的t2时刻的油膜厚度值与测量得到的t2时刻 的油膜度值。
6. 如权利要求1或者2所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述步 骤三中比较计算得到的t2时刻的油膜厚度与测量得到的t2时刻的油膜厚度具体为：当油 膜干涉图像质量较差时，将计算得到的油膜厚度值进行线性拟合，计算得到油膜厚度斜率， 并与测量得到的油膜厚度斜率进行比较，并判断计算与测量的油膜厚度斜率是否一致。
7. 如权利要求1或者2所述的种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其特征在于所述油 膜粘性系数随时间的变化关系通过拟合得到，所述拟合为线性拟合或者多项式拟合。
【专利摘要】本发明公开了一种油膜干涉表面摩擦应力测量方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、在t1时刻和t2时刻之间，获取油膜粘性系数 随时间的变化关系，并测量得到t1时刻和t2时刻的油膜厚度；步骤二、设定初始摩擦应力，并根据步骤一得到的油膜粘性系数随时间的变化关系，t1时刻的油膜厚度，数值计算薄油膜方程，并采用显式时间步推进到t2时刻，从而计算得到t2时刻的油膜厚度；步骤三、比较计算得到的t2时刻的油膜厚度与测量得到的t2时刻的油膜厚度，并根据比较结果对摩擦应力进行修正，重新从t1时刻开始显式时间步推进到t2时刻，当计算所得的油膜厚度与测量得到的油膜厚度一致时循环结束，此时的即为求解的摩擦应力。通过上述方法得到油膜干涉表面摩擦应力。
【IPC分类】G01L11-02, G01M9-06
【公开号】CN104697705
【申请号】CN201510122432
【发明人】刘志勇, 张长丰
【申请人】中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月19日