高速风洞油流试验方法与流程

本发明涉及风洞油流试验技术领域，具体而言，涉及一种高速风洞油流试验方法。

背景技术：

在风洞试验中，油流试验是借助于物理手段使气流绕模型流动的某些特征以画面的形式显示出来的试验方法。通过观察油流图像，并进行拓扑分析，能深入地了解流动现象的本质和机理，确定气流在模型上附着的位置、出现激波和旋涡的位置以及气流分离的位置和分离的方式与特点，为合理地解释实验数据提供依据，有助于找到解决某些具体问题的途径，也有助于建立、完善和发展新的空气动力学理论。

油流试验技术作为风洞试验流动显示技术之一，通过将一定黏度的特定油剂与示踪粒子粉末染料均匀混合体喷涂在模型表面，涂料在绕模型气流的剪切力作用下，油挟带着颜料粉末随气流运动，在模型表面形成油流图谱。通过对油流方向、油膜厚薄变化及图谱分析，可以了解物面流场中奇点的分布规律，判读绕流流经物面形成的附流、气泡、漩涡、激波及分离等气动特征，以进一步揭示不同外形试验模型的表面流动规律，并为合理解释试验数据或了解某些流动现象产生的机理提供依据。

现有技术的高速风洞油流试验方法只能获得静态油流图谱，风洞停风后油流试验油剂的回流和激波，使模型表面形成的油流图谱受到一定程度破坏，停风后所摄录的油流图谱不能真实反映试验模型在试验过程中的实时图谱。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高速风洞油流试验方法，同时获得瞬态油流图谱和静态油流图谱，使获得的试验模型的表面的流动特征更为全面，真实反映试验模型在试验过程中的实时图谱。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置高速风洞油流试验油剂，清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，准备试验设备。

(2)、将高速风洞油流试验油剂设置于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma、模型姿态角及吹风时间，试验风洞启动吹风，获取瞬态油流图谱。

(3)、停风后，拍摄静态油流图谱。

本发明的较佳实施例提供的高速风洞油流试验方法的有益效果是：

本发明提供的高速风洞油流试验方法，先配置高速风洞油流试剂，再将实验模型清洗干净，避免由于试验模型的表面具有杂质而影响试验结果，使试验结果能够反映试验过程的真实情况。此外，将高速风洞油流试验油剂设置于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma、模型姿态角及吹风时间，试验风洞启动吹风，吹风以后，高速风洞油流试验油剂会在试验模型的表面发生流动，在试验油剂流动的过程中，会获得瞬态油流图谱，能够很好地真实捕捉实验模型的表面的油流图谱。同时，在停风后，拍摄静态油流图谱，使瞬态油流图谱与静态油流图谱进行对比分析、相互补充，使获得的试验模型的表面流动特征更为全面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的高速风洞油流试验油剂的配置方法中钛白粉与机油的质量比与钛白粉和机油的混合物的黏度的关系曲线；

图2为本发明实施例提供的高速风洞油流试验得到的第一张瞬态油流图谱；

图3为本发明实施例提供的高速风洞油流试验得到的第二张瞬态油流图谱；

图4为本发明实施例提供的高速风洞油流试验得到的第三张瞬态油流图谱；

图5为本发明实施例提供的高速风洞油流试验得到的第四张瞬态油流图谱；

图6为本发明实施例提供的高速风洞油流试验得到的静态油流图谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的高速风洞油流试验方法进行具体说明。

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置高速风洞油流试验油剂，清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，准备试验设备。

①、高速风洞油流试验油剂包括钛白粉、机油和荧光指示剂。

其中，机油可以调节试验油剂的黏度，不同的高速风洞的风速所需要的试验油剂的黏度不同，通过加入不同的机油的量来调节试验油剂的黏度，使制得的试验油剂可以满足不同的高速风洞的需求。

优选地，机油的黏度为200～400mPa.s。机油的黏度较小，使机油与钛白粉容易混合均匀，对机油的黏度进行限制，更加容易配置高速风洞油流试验油剂所需要的黏度，使高速风洞油流试验油剂能够顺利进行油流试验。

钛白粉即二氧化钛，为质地柔软的无嗅无味的白色粉末，遮盖力和着色力强，不溶于水、稀无机酸、有机溶剂、油等，纳米级超微细二氧化钛具有半导体性质，并且具有高稳定性、高透明性、高活性和高分散性，无毒性和颜色效应。由于钛白粉的这些性质，高速风洞油流试验油剂中加入钛白粉为示踪粒子，利于油流试验后形成油流图谱。同时，钛白粉不溶于水，具有一定的防水性，具有防潮、易存放的优点。

优选地，钛白粉的级别为2N，粒度为200～300目，这种钛白粉经过深加工，其粒度达到纳米级，具有易调和的特性，这样钛白粉与机油和荧光指示剂混合制备高速风洞油流试验油剂的时候，其混合更加均匀，可以延长通过油流试验得到的油流图谱的存放时间，便于研究人员的研究。

钛白粉具有颜色效应，更佳地，对钛白粉进行二次加工，即对钛白粉进行颜色处理，使钛白粉的表面附着有颜料层，其方法为：将处理剂沉淀在钛白粉粒子表面而形成包膜，并对其沉淀的形式、数量和方法加以控制，使钛白粉的表面有沉淀层的颜料，得到的钛白粉的表面附着有颜料层。优选地，处理剂通常选自三氧化二铝、二氧化硅中的一种或两种。钛白粉经过颜色处理以后，其依然具有钛白粉的性质，但得到的钛白粉具有不同的颜色，使得到的高速风洞油流试验油剂能够进行彩色油流试验与常规黑白油流试验。同时，可以更好的显示不同区域油流图谱及不同表面交接线气流有无绕流情况，使瞬态油流图谱更加清晰，方便观察。

荧光指示剂是一种荧光染料，使制得的高速风洞油流试验油剂能够进行荧光油流试验。优选地，荧光指示剂选自荧光检漏剂或荧光粉中的一种。其中，荧光检漏剂为油路系统中通用的荧光检漏剂。

高速风洞油流试验油剂配方含有上述三种配方原料，使高速风洞油流试验油剂能够进行荧光油流试验、彩色油流试验和常规黑白油流试验，增大了高速风洞油流试验油剂的使用范围，同时，也使通过油流试验得到的油流图谱能够存放较长时间，方便研究。

②、上述高速风洞油流试验油剂的配置方法，包括如下步骤：

Ⅰ配置机油钛白粉质量比不同的样本混合物，测定样本混合物的黏度，并得到机油钛白粉质量比与黏度的关系曲线。

选取至少5个不同的机油钛白粉质量比，配置样本混合物，并分别测定样本混合物的黏度，以机油钛白粉质量比为横坐标，黏度为纵坐标得到关系曲线。

例如：分别配置机油钛白粉质量比为1.2、1.38、1.44、1.5、1.57、1.64、1.72、1.8、1.9、2.0的10种样本混合物，并分别测定这10种样本混合物的黏度，测定黏度的方法按照现有技术即可，得到混合物的黏度值分别为3280mPa.s、2980mPa.s、2900mPa.s、2820mPa.s、2800mPa.s、2770mPa.s、2700mPa.s、2620mPa.s、2600mPa.s、2510mPa.s。以机油钛白粉质量比作为横坐标，其对应的样本混合物的黏度作为纵坐标，且通过多次配置相同质量比的样本混合物并测定样本混合物的黏度值，通过计算平均值，使测量的结果更加准确，使用最小二乘法得到的值画出机油钛白粉质量比和黏度的关系曲线，使关系曲线更有可信度，曲线如图1所示。

Ⅱ根据油流试验的Ma值，确定试验油剂的黏度，再根据黏度和关系曲线，得到试验油剂的机油钛白粉质量比。

在进行油流试验的时候，不同的油流试验的Ma值，需要不同黏度的高速风洞油流试验油剂，其Ma值与高速风洞油流试验油剂的黏度的对应关系为现有技术。通过需要的高速风洞油流试验油剂的黏度，对应机油钛白粉质量比和黏度的关系曲线，得到配置的高速风洞油流试验油剂的机油与钛白粉的质量比。如：当0.4≤Ma≤1.5时，对应需要的高速风洞油流试验油剂的黏度为2850～3150mPa.s，当1.6≤Ma≤3时，对应需要的高速风洞油流试验油剂的黏度为2620～2790mPa.s。根据图1，可以得到机油与钛白粉混合物的黏度范围为2850～3150mPa.s时，机油与钛白粉的质量比范围为1.3～1.5，可以得到机油与钛白粉混合物的黏度范围为2620～2790mPa.s时，机油与钛白粉的质量比范围为1.6～1.8。

Ⅲ根据步骤Ⅱ获得的机油钛白粉质量比，配置机油与钛白粉的油剂混合物，并添加荧光指示剂混合。

根据图1中的关系曲线，得到试验油剂的机油钛白粉质量比，并通过该质量比配置相应的机油与钛白粉的油剂混合物，并添加荧光指示剂混合得到高速风洞油流试验油剂。

优选设置：荧光指示剂质量占油剂混合物的质量的2％～5％，使得到的高速风洞油流试验油剂具有足够的荧光效应也不会对高速风洞油流试验油剂的黏度造成影响。

其具体的配置方法为：使用脱脂棉蘸取少量的无水乙醇将烧杯清洗干净，待无水乙醇完全挥发以后，将烧杯放置在电子天平(或其他称量器具上)，打开电子天平，用钥匙量取上述钛白粉置于烧杯中，将其归零，再加入上述机油，将其归零，最后再加入上述荧光指示剂，使用搅拌棒将三种物质混合均匀，得到高速风洞油流试验油剂。配置好的高速风洞油流试验油剂需静置一段时间，以确保高速风洞油流试验油剂中的气泡充分逸散。建议在进行试验前半个小时进行配置。

此高速风洞油流试验油剂的配置方法中，引入黏度技术指标，对机油和钛白粉的量进行量化，技术性的控制更强，配置高速风洞油流试验油剂的时候，严格按照不同范围的Ma所需要的不同范围的黏度的高速风洞油流试验油剂的进行配置，使得到的高速风洞油流试验油剂能够更好地进行油流试验，并得到可以长久存储的油流图谱。

③其中，清洗试验模型主要是为了去除试验模型表面的杂质，避免由于试验模型的表面具有杂质而影响试验结果，使试验结果能够反映试验过程的真实情况。同时，还要进行其他试验设备的准备，为后续油流图谱的拍摄做好准备。

优选地，使用丙酮或乙醇清洗试验模型的表面，丙酮和乙醇是很好的有机溶剂，能够很好的将试验模型表面的杂质清洗干净并去除，同时丙酮和乙醇均为易挥发性物质，其不会残余在试验模型的表面，影响后续的试验。同时，还可以使用其他有机溶剂对试验模型的表面进行清洗，如：甲醇、丙烯酸等。

首先，安装LED照明光源，使照明的光场亮度及范围满足试验要求，即试验风洞中具有良好的光照。安装CCD摄相机，调试CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光灯等时间参数，使CCD摄相机在LED照明光场下能够清晰拍摄试验模型表面待测区的图像，并使图像传输系统与图像处理系统连接，使CCD摄相机拍摄的图像能够顺利通过图像传输系统传至图像处理系统。

(2)、将高速风洞油流试验油剂设置于试验模型的表面形成油剂层，通过设定不同的试验Ma、模型姿态角及吹风时间，并启动试验风洞进行吹风，使试验模型表面的油剂层在吹风的情况下发生运动，获取瞬态油流图谱。其中，试验Ma、模型姿态角及吹风时间可以在试验前进行调整，也可以在试验过程中进行调整，使瞬态油流图谱不断发生变化。

优选地，将高速风洞油流试验油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，使油剂层的设置更加均匀，油剂层的厚度不超过试验模型的表面的附面层厚度，在试验风洞启动吹风以后，才能使油剂层的变化很明显，得到的瞬态油流图谱更加清晰。

更佳地，模型姿态角大于15°时使用的试验油剂的黏度值与模型姿态角不大于15°时使用的试验油剂的黏度值的比为0.97～0.98:1，Ma高于1.5时使用的试验油剂的黏度值与Ma不高于1.5时使用的试验油剂的黏度值的比为0.97～0.98:1，涂抹于背风区的试验油剂的黏度值与涂抹于迎风区的试验油剂的黏度值的比为0.97～0.98:1，即当模型姿态角大于15°、Ma高于1.5、高速风洞油流试验油剂涂抹于背风区时，高速风洞油流试验油剂的黏度均降低2％～3％，即在进行高速风洞油流试验的时候，如果模型姿态角大于15°、Ma高于1.5、高速风洞油流试验油剂位于背风区时，则需要配置新的高速风洞油流试验油剂，其黏度发生变化，黏度值为模型姿态角小于等于15°、Ma小于等于1.5、高速风洞油流试验油剂位于迎风区时的高速风洞油流试验油剂的黏度的97％～98％。且只要满足三者条件之一，则黏度降低2％～3％，在满足其中之二或全部满足时，依然是黏度降低2％～3％，不需相互叠加。

通过安装好的CCD摄像机获取试验模型的表面的图像，经动态图像采集系统将图像传输至图像处理系统，获取瞬态油流图谱。所获取表征区域内的瞬态油流图谱未受停风回流及激波影响，更为真实，瞬态油流图谱可经图像后处理，获取试验模型表面表征区域流谱的方向场，更为直观。

停风后，根据流场建立稳定情况，选择合理时间节点区间内图片组并经图像处理系统解算处理，获取试验模型表面流动方向场图谱及油流照片。选择合理的时间节点区间，即使用者需要的时间节点区间，可自行选择一个或多个时间节点区间，方便研究。

(3)、停风后，拍摄静态油流图谱。由于瞬态油流图谱在拍摄的过程中，气流不断发生变化，油剂层也在发生运动，所以，停风后进行静态油流图谱的拍摄，可以弥补瞬态油流图谱的不足，使瞬态油流图谱与静态油流图谱进行对比分析、相互补充，使获得的试验模型的表面流动特征更为全面。

优选地，使用LED光源系统照射试验油剂，并通过照相机完成黑白油流图谱和彩色油流图谱的拍摄。也可以使用荧光激发光源及附件，通过照相机完成荧光油流图谱的拍摄。并进行图像标识及后处理，将瞬态油流图谱和静态油流图谱相结合，真实捕捉和显示试验模型表面的油流图谱，方便研究。

实施例1

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置黏度为3150mPa.s的高速风洞油流试验油剂，使用丙酮清洗试验模型的表面，将试验模型安装于试验风洞内，并安装LED照明光源，安装CCD摄相机，调试CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光灯等时间参数，并使图像传输系统与图像处理系统连接。

(2)、将高速风洞油流试验油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定不同的试验Ma、模型姿态角及吹风时间，其中，Ma值为1.3，模型姿态角为12°，并且使试验模型位于迎风面，并将试验风洞启动吹风，通过安装好的CCD摄像机获取试验模型的表面的图像，经动态图像采集系统将图像传输至图像处理系统，选择合理时间节点区间内图片组并经图像处理系统解算处理，获取试验模型表面流动方向场图谱及油流照片。

(3)、停风后，使用LED光源系统，通过照相机拍摄静态油流图谱，并进行图像标识及后处理。

图2-图5为本实施例提供的高速风洞油流试验得到的瞬态油流图谱的图像序列，依次分别为从试验开始到试验结束过程中的几个不同瞬间，瞬态油流图谱可以反映气流的流动规律。其中图2为试验刚开始，气流从图中右下角向左上角流动，所以图中右下角出现棉絮状油流图谱；经过约1秒钟后，从图3可以看出棉絮状油流消失，油流出现了初步的指向性(从右下向左上)；再经过约1秒钟，从图4中可以清晰看出流动的轨迹；而再过1秒，图5则更能加清晰地显示出气流稳定之后的流动规律。瞬态油流图谱的优势在于能够反映气流从刚启动到稳定运动过程中的变化规律，但是要求在试验过程中相机和模型等物体的相对位置不能改变，因此拍摄角度被限制，每次试验只能针对一个区域进行测量，得到的数据具有一定的局限性，图6为本实施例提供的高速风洞油流试验得到的静态油流图谱，静态油流本身是在试验结束后进行油流图像拍摄，虽然不能像瞬态油流那样得到气流的变化规律，但是却能在试验之后针对已经稳定的油流轨迹从各个不同角度进行拍摄，可以得到更为全面的油流图谱图片。将瞬态油流图谱和静态油流图谱相结合，使瞬态油流图谱与静态油流图谱进行对比分析、相互补充，使获得的试验模型的表面流动特征更为全面，真实捕捉和显示试验模型表面的油流图谱，进行研究。

实施例2

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置黏度为2620mPa.s的高速风洞油流试验油剂，使用乙醇清洗试验模型的表面，将试验模型安装于试验风洞内，并安装LED照明光源，安装CCD摄相机，调试CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光灯等时间参数，并使图像传输系统与图像处理系统连接。

(2)、将高速风洞油流试验油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定不同的试验Ma、模型姿态角及吹风时间，其中，Ma值为1，模型姿态角为10°，并且使试验模型位于背风面，并将试验风洞启动吹风，通过安装好的CCD摄像机获取试验模型的表面的图像，经动态图像采集系统将图像传输至图像处理系统，选择合理时间节点区间内图片组并经图像处理系统解算处理，获取试验模型表面流动方向场图谱及油流照片。

(3)、停风后，使用LED光源系统，通过照相机拍摄静态油流图谱，并进行图像标识及后处理。

实施例3

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置黏度为2720mPa.s的高速风洞油流试验油剂，使用乙醇清洗试验模型的表面，将试验模型安装于试验风洞内，并安装LED照明光源，安装CCD摄相机，调试CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光灯等时间参数，并使图像传输系统与图像处理系统连接；

(2)、将高速风洞油流试验油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定不同的试验Ma、模型姿态角及吹风时间，其中，Ma值为0.5，模型姿态角为18°，并且使试验模型位于背风面，并将试验风洞启动吹风，通过安装好的CCD摄像机获取试验模型的表面的图像，经动态图像采集系统将图像传输至图像处理系统，选择合理时间节点区间内图片组并经图像处理系统解算处理，获取试验模型表面流动方向场图谱及油流照片；

(3)、停风后，使用LED光源系统，通过照相机拍摄静态油流图谱，并进行图像标识及后处理。

实施例4

一种高速风洞油流试验方法，包括如下步骤：

(1)、配置黏度为2620mPa.s的高速风洞油流试验油剂，使用乙醇清洗试验模型的表面，将试验模型安装于试验风洞内，并安装LED照明光源，安装CCD摄相机，调试CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光灯等时间参数，并使图像传输系统与图像处理系统连接；

(2)、将高速风洞油流试验油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定不同的试验Ma、模型姿态角及吹风时间，其中，Ma值为1.8，模型姿态角为16°，并且使试验模型位于背风面，并将试验风洞启动吹风，通过安装好的CCD摄像机获取试验模型的表面的图像，经动态图像采集系统将图像传输至图像处理系统，选择合理时间节点区间内图片组并经图像处理系统解算处理，获取试验模型表面流动方向场图谱及油流照片；

(3)、停风后，使用LED光源系统，通过照相机拍摄静态油流图谱，并进行图像标识及后处理。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。