本发明属于流体力学实验技术领域，涉及一种壁面切应力测量方法，用于测量流场中壁面的切应力。
背景技术：
壁面切应力是流场中壁面的重要参数，它能确定在壁面粘性力和壁面附近速度的分布。测量壁面切应力的方法有在壁面上直接测量方法和在壁面附近测试的间接测量方法。其中直接测量方法有油膜干涉法及安装在壁面上的微机电传感器方法。在这些测量方法中，采用热交换原理的微机电传感器在航空、流体领域中得到了广泛的使用。
热交换原理的微机电传感器的示意图如图1所示。
给传感器通以一定电流，使其产生热量，在达到热平衡时，焦耳热q与平均壁面切应力τw有如下关系：
公式(1)中，q＝qs+qa，其中qa是向流场中传递的热量，qs是向壁面传导的热量，a和b与qs和qa相关，都可以通过标定来获得。一般采用标定的方式来确定a和b的值。然而，在有些情况下标定并不具备实用性，环境温度和表面状况的改变会使测量结果发生偏移。所以，提出一种无需标定的壁面切应力测量方法是有必要的。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于：提出一种壁面切应力测量方法，可以测量流场中壁面的切应力。该方法不需要对传感器进行标定，仅靠对传感器电压和电流的测量即可换算出壁面切应力。
本发明的技术方案：
一种壁面切应力测量方法，采用传感器进行测量；所述的传感器由两片镍箔和一层聚酰亚胺薄膜构成，两片镍箔分别粘贴在聚酰亚胺薄膜的上下表面；镍箔的长宽比大于10，具有正电阻温度系数；所述的镍箔的两侧各有一个接线点，接线点位于镍箔长度方向的两端，每个接线点引出两条导线，一条是电流接线，用于传导通过镍箔的电流，另一条是电压接线，用于测量镍箔两端的电压，即每个传感器均为四线连接；其中一片镍箔与流场中的流体直接接触作为敏感元件，另一片镍箔安装在绝缘介质另一侧的对应位置；测量通过镍箔的电流和镍箔两端的电压，计算出镍箔的电阻，根据金属镍的电阻温度系数计算出镍箔在该状态下的温度；通过改变两片镍箔的电流，使两个镍箔工作在同一电阻阻值下；此时两片镍箔的工作温度相同，作为敏感元件的镍箔仅与流体进行热量交换；温度稳定后，作为敏感元件的镍箔的电流加热的热量与流体带走的热量相等，此时计算出加热功率与切应力的关系。
本发明的有益效果：本发明通过测量作为敏感元件的电压和电流，算出该元件的发热功率，就可以计算出传感器位置处的切应力。不需要对传感器进行标定，仅靠对传感器电压和电流的测量即可换算出壁面切应力，方便准确。
附图说明
图1是热交换原理的微机电传感器的示意图。
图2是本发明测试的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
传感器由两片镍箔和一层聚酰亚胺薄膜构成，将两片镍箔通电加热至同一温度，其中一片镍箔与流场中的流体直接接触，与流体热交换，作为敏感元件。另一片镍箔安装在聚酰亚胺薄膜另一侧的对应位置，作为敏感元件的衬底。整个夹层结构的传感器的厚度控制在25微米以内。
测试的示意图如图2所示。
由于两个镍箔加热至同一温度，这样敏感元件向壁面传导的热量qs就可以减小至几乎为零，这样q＝qa，公式(1)就变为如下形式：
其中根据换热理论推导：
其中，tf是镍箔温度，ta是流体温度，w是镍箔宽度，l是镍箔长度，k、ρ、cp、μ分别是流体的导热系数、密度、比热容和粘度；
根据电阻温度系数公式，镍箔的温度tf使用以下公式推算出来：
其中，tf是镍箔温度，t0是镍箔在室温下的温度，α是镍的电阻温度系数，r0是镍箔在常温下的电阻，r是镍箔在工作状态下的电阻。通过对电流的控制和电阻的测量可以把两片镍箔加热至同一温度，作为敏感元件的热膜与底面的热传递即可忽略。