一種油膜干涉表面摩擦應力測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及試驗流體力學技術領域，本發(fā)明公開了一種油膜干涉表面摩擦應力測 量方法。
【背景技術】
[0002] 摩擦阻力在飛行器的設計中占有非常重要的地位。對于商業(yè)飛機而言，在巡航狀 態(tài)時摩擦阻力幾乎占到總阻的40%~50%，有評估認為減少1%的阻力大約可以增加10名 乘客[1]，無論是從經濟效益還是節(jié)能環(huán)保方面來說，減阻都是非常重要的；對于高超聲速 帶動力飛行器而言，摩擦阻力占到了總阻的30%，直接關系到飛行器是否可以獲得正推力 以及設計方案是否成功；對于超高聲速再入滑翔類武器而言，摩擦阻力的大小直接影響其 射程，關系到武器設計的成敗。
[0003] 傳統(tǒng)的模型表面摩擦應力測量技術有摩阻天平、Preston管等方法，這些方法需要 在實驗前進行仔細的校準，在實驗后對測量數(shù)據(jù)進行修正，因此整個實驗非常繁復，測量誤 差較大。尤其是在高超聲速風洞實驗中，由于來流速壓較小，模型表面的摩擦應力只有幾帕 斯卡到幾十帕斯卡，基于應變原理的傳感器很難測量準確。而Preston管等一些方法需要 用探針測量靠近壁面的壓力分布，探針直接插入流場，對探針附近的流動不可避免的產生 干擾。因此需要發(fā)展非插入、更準確的測量方法。近二十年來得到大力發(fā)展的測量方法主 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適應較大速度范圍的流動情況。它是一種非插入、不需要校 準、能應用于曲面的摩擦應力測量方法，分辨率較高。除此之外，它對模型的加工要求不高。 油膜干涉方法的主要原理為，覆蓋在模型表面的油膜，受邊界層的剪切作用會形成楔形形 狀，其厚度隨時間的變化率主要與表面摩擦應力有關。油膜的厚度通常在微米量級，對流場 基本沒有干擾，可以通過光學干涉的方法準確測量。
[0005] 當入射光（波長為A)照射模型表面時，分別在空氣/油膜界面和油膜/模型界 面上發(fā)生反射。兩道反射光在無窮遠或相機透鏡的聚焦下相互干涉，光強相長或相消，表現(xiàn) 為黑白相間的條紋。
[0006] 1962年Squire提出的薄油膜公式給出了油膜厚度與摩擦應力的關系（見公式 1)。Tanner等人首次將其應用于干涉法摩擦應力測量。Zilliac提出用油滴代替油線，將 之應用于三維流動，用前緣附近兩三道條紋求解摩擦應力大小，用油滴流動方向指示摩擦 應力的方向。
【主權項】
1. 一種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在tl時刻 和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù)#隨時間的變化關系，并測量得到tl時刻和t2時刻的 油膜厚度；步驟二、設定初始摩擦應力fn，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)P隨時間的 變化關系，tl時刻的油膜厚度，數(shù)值計算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進到t2時刻，從 而計算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的 t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結果對摩擦應力％進行修正，重新從tl時刻開始顯式時間 步推進到t2時刻，當計算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結束，此時的 %即為求解的摩擦應力t。
2. 如權利要求1所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述采用顯式 時間步推進到t2時刻，從而計算得到t2時刻的油膜厚度具體包括以下的步驟：將一維情況 下的薄油膜公式進行離散，時間上采用向前差分，空間上采用中心差分，得到
其中n為時間步數(shù)，i為空間步數(shù)，< 為第n個時 間步時油膜的粘性系數(shù)，h表示油膜厚度，t表示時間，y表示硅油的粘性系數(shù)，n= (t2-tl) /Al，x是物面坐標。
3. 如權利要求1或者2所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述獲 取油膜粘性系數(shù)#隨時間的變化關系具體步驟為：首先多次測量油膜溫度，獲得此時間段 內硅油油膜溫度隨時間的變化關系，并根據(jù)預先標定的硅油粘性系數(shù)和溫度曲線獲得油膜 粘性系數(shù)隨時間的變化關系。
4. 如權利要求1或者2所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述步 驟二中初始摩擦應力r0為
其中：M分別為tl和t2時刻油 膜的粘性系數(shù)，、^2分別為tl和t2時刻油膜干涉條紋的間距，AA為一倍條紋間距對應 的油膜厚度差。
5. 如權利要求1或者2所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述步 驟三中比較計算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度具體為：當油 膜干涉圖像質量較高時，直接比較計算得到的t2時刻的油膜厚度值與測量得到的t2時刻 的油膜度值。
6. 如權利要求1或者2所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述步 驟三中比較計算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度具體為：當油 膜干涉圖像質量較差時，將計算得到的油膜厚度值進行線性擬合，計算得到油膜厚度斜率， 并與測量得到的油膜厚度斜率進行比較，并判斷計算與測量的油膜厚度斜率是否一致。
7. 如權利要求1或者2所述的種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其特征在于所述油 膜粘性系數(shù)隨時間的變化關系通過擬合得到，所述擬合為線性擬合或者多項式擬合。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種油膜干涉表面摩擦應力測量方法，其具體包括以下的步驟：步驟一、在t1時刻和t2時刻之間，獲取油膜粘性系數(shù) 隨時間的變化關系，并測量得到t1時刻和t2時刻的油膜厚度；步驟二、設定初始摩擦應力，并根據(jù)步驟一得到的油膜粘性系數(shù)隨時間的變化關系，t1時刻的油膜厚度，數(shù)值計算薄油膜方程，并采用顯式時間步推進到t2時刻，從而計算得到t2時刻的油膜厚度；步驟三、比較計算得到的t2時刻的油膜厚度與測量得到的t2時刻的油膜厚度，并根據(jù)比較結果對摩擦應力進行修正，重新從t1時刻開始顯式時間步推進到t2時刻，當計算所得的油膜厚度與測量得到的油膜厚度一致時循環(huán)結束，此時的即為求解的摩擦應力。通過上述方法得到油膜干涉表面摩擦應力。
【IPC分類】G01L11-02, G01M9-06
【公開號】CN104697705
【申請?zhí)枴緾N201510122432
【發(fā)明人】劉志勇, 張長豐
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月19日