CN112014064B - 一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，属于油流试验领域，包括步骤：配置风洞复杂流动油流试验混合油剂，风洞复杂流动油流试验混合油剂包括调和油剂、示踪粒子和抗凝剂，调和油剂的黏度为200‑300mPa.s，示踪粒子包括钛白粉和荧光指示剂；清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装其他试验设备；将风洞复杂流动油流试验混合油剂设置于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数、模型姿态角及吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱；停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。适应试验Ma数达到5及以上的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，对风洞复杂流动彩色荧光油流试验关于油剂配置、操作基于经验的模式进行了量化和规范。

Description

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法

技术领域

本发明涉及油流试验领域，具体而言，涉及一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法。

背景技术

表面流动显示是研究复杂流动，揭示边界层分离及其漩涡结构的重要流体力学试验技术，油流试验技术作为早期发展的风洞试验流动显示技术之一，其原理主要是通过将一定黏度的特定油剂与示踪粒子粉末均匀混合后喷涂在模型表面，在绕模型气流的摩擦应力作用下，油剂挟带着示踪粒子粉末随气流运动，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，在湍流、分离流、旋涡运动、非定常流动、激波边界层干扰等课题领域内开展着广泛、深入的基本理论和机理研究工作，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。该技术作为表面流动显示最为经济、方便和直观的试验手段，因其简单实用，易于观察，仍为国内外表面流动显示风洞试验所普遍采用。

现有风洞各类油流试验混合油剂配方兼容性不强，一类配方只能完成相应类别试验，如荧光油流配方只能完成荧光油流试验、彩色油流配方只能完成彩色油流试验等，且各类油流试验尤其是彩色油流试验，示踪粒子选取与配方差异较大。

尤其是在风洞复杂流动彩色荧光油流试验中试验Ma数达到M=5～8时，未有匹配的风洞复杂流动油流试验混合油剂用于这种试验条件下的油流试验。

发明内容

本发明提供了一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，旨在解决现有技术中风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，包括步骤：

配置风洞复杂流动油流试验混合油剂，所述风洞复杂流动油流试验混合油剂包括调和油剂、示踪粒子和抗凝剂，所述调和油剂的黏度为200-300mPa.s，所述示踪粒子包括钛白粉和荧光指示剂；

清洗试验模型，将所述试验模型安装于试验风洞内，安装其他试验设备；

将所述风洞复杂流动油流试验混合油剂设置于所述试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数、模型姿态角及吹风时间，启动所述试验风洞，获取瞬态油流图谱；

停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。

在本发明的一种实施例中，所述示踪粒子中的所述钛白粉直径为75微米。

在本发明的一种实施例中，在配置风洞复杂流动油流试验混合油剂的步骤中，包括：

通过配置不同质量比的钛白粉和调和油剂，得到不同黏度的混合物，绘制黏度与油粉质量比的关系曲线；

结合实际试验中的模型姿态角及模型布局，根据试验Ma数绘制试验Ma数与黏度适应曲线，结合黏度与油粉质量比的关系曲线，得到预配置方案，按预配置方案配置所述示踪粒子、所述调和油剂及所述抗凝剂；

将所述示踪粒子置入所述调和油剂，搅拌均匀，取部分配置好的风洞复杂流动油流试验混合油剂用黏度计进行黏度抽检。

在本发明的一种实施例中，所述调和油剂包括硅油和白油。

在本发明的一种实施例中，当所述试验Ma数为5-8时，所述调和油剂中的硅油的质量比为30-35%，所述调和油剂中的白油的质量比为26-32%。

在本发明的一种实施例中，当所述试验Ma数为5时，所述调和油剂中的硅油的质量比为30%，所述调和油剂中的白油的质量比为28%。

在本发明的一种实施例中，所述抗凝剂采用油酸。

在本发明的一种实施例中，在所述调和油剂和所述示踪粒子调配形成的每50g混合物中添加2g所述抗凝剂。

在本发明的一种实施例中，所述吹风时间为30-35秒。

本发明的有益效果是：在对风洞复杂流动彩色荧光油流试验中的适用性进行研究和试验验证后，提出的本发明提供的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法采用了一种新型油剂配方以适应试验Ma数达到5及以上的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，对风洞复杂流动彩色荧光油流试验关于油剂配置、操作基于经验的模式进行了量化和规范，提供了不同Ma数下的油剂黏度、质量比以及吹风时间关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式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。

图1是本发明实施方式提供的油粉质量比与混合油剂黏度的关系曲线关系图；

图2是本发明实施方式提供的试验Ma数与混合油剂黏度适应曲线关系图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，用于试验Ma数达到5-8的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，包括步骤：

1、配置风洞复杂流动油流试验混合油剂，风洞复杂流动油流试验混合油剂包括调和油剂、示踪粒子和抗凝剂。

现有风洞各类油流试验混合油剂配方兼容性不强，一类配方只能完成相应类别试验，如荧光油流配方只能完成荧光油流试验、彩色油流配方只能完成彩色油流试验等，且各类油流试验尤其是彩色油流试验，示踪粒子选取与配方差异较大。

在本发明中，先确定示踪粒子的材料属性，以匹配复杂流动的风洞环境。

示踪粒子包括钛白粉和荧光指示剂。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，当然，也不溶于本发明中的混合油剂。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，彩色荧光油流试验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，由于钛白粉不溶于水，具有一定的防水性，具有防潮、易存放的优点。

具体的，为了匹配复杂流动的风洞环境，选做示踪粒子的钛白粉形成直径为75微米的亲油钛白粉。

而为满足试验模型表面油流图谱色彩丰富多样，要求彩色油流试验示踪粒子颜色多样化，不同材料属性的彩色示踪粒子其密度、油粉㓎润度不同将决定了调和油剂的材料属性与黏度的不同，这势必导致混合油剂配置复杂、风洞通风时间控制难度增加，并对油流图谱质量、图像后处理也存在一定程度的影响。

根据地面、动态调试结果，对直径为75微米的亲油钛白粉使用荧光指示剂进行荧光处理，生成彩色荧光示踪粒子。

具体的，荧光指示剂是一种荧光染料，使制得的风洞复杂流动油流试验混合油剂能够进行荧光油流试验。本发明中的荧光指示剂选取常作为荧光指示剂的荧光检漏剂中的荧光粉。

调和油剂的选取还需要具有如下条件：a.具有合适的黏度，具有较好的㓎润度；b.具有低挥发性；c.具有较强的稳定性，耐存放。为了满足示踪粒子与调和油剂液固两相的㓎润度，选用的调和油剂黏度需与示踪粒子粉末密度相匹配。

在过去的彩色荧光油流试验中，调和油剂往往采用煤油、柴油、机油、硅油、亚麻油、航空液压油中的一种或数种进行混合，但是实际操作过程中发现当试验Ma数较高的复杂流动彩色荧光油流试验中，这些常用成分的混合难以达到理想要求。

在本发明中，基于示踪粒子为直径75微米亲油彩色钛白粉前置条件，为满足油流试验油膜层薄、油粉㓎润度等要求，调和油剂选用硅油和白油进行调配，硅油的黏度为400mPa.s，白油的黏度为100mPa.s，按照一定比例调配后的调和油剂的黏度为200-300mPa.s，实际使用时的具体黏度需要根据试验中的试验Ma数进行选取。

在本发明中为了配合硅油、白油的性质，采用油酸作为抗凝剂。

在本发明中，配置风洞复杂流动油流试验混合油剂的过程包括步骤：通过配置不同质量比的钛白粉和调和油剂，得到不同黏度的混合物，绘制如图1所示的油粉质量比与混合油剂黏度的关系曲线；

结合实际试验中的模型姿态角及模型布局，根据试验Ma数绘制如图2所示的试验Ma数与黏度适应曲线，结合黏度与油粉质量比的关系曲线，得到预配置方案，按预配置方案配置示踪粒子、调和油剂及抗凝剂；

将示踪粒子置入调和油剂，搅拌均匀，取部分配置好的风洞复杂流动油流试验混合油剂用黏度计进行黏度抽检。黏度抽检符合预配置方案的理论范围才能够在用于后续的彩色荧光油流试验。

根据预配置方案设定以及抽检结果，本发明最终配方为：当试验Ma数为5-8时，调和油剂中的硅油的质量比为30-35%，调和油剂中的白油的质量比为26-32%，其余成分由示踪粒子补充。另外，按照每50克混合油剂滴入2g油酸的比例进行抗凝剂添加。

2、清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装其他试验设备；将风洞复杂流动油流试验混合油剂设置于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数、模型姿态角及吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱。

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。

在本发明中，采用常用的丙酮或乙醇清晰试验模型的表面即可，丙酮和乙醇易于挥发，清洗后不会残留在试验模型的表面，以免影响后续试验。

其他试验设备包括光源***和图谱摄录***：

油流试验光源***主要包括荧光激发光源和普光照明光源两大部分。其中，荧光激发光源为紫外光波长λ=365nm、中心紫外强度为5000μW /cm2的紫外灯，投光距离1m。普光照明光源为4台常用影视灯面光源，色温为3200k-5600k，光场覆盖面积可达10m²，反光设备为目前常用的专业摄影反光装置与反光背景布，反光背景布尺寸为272×1100cm，反光装置为带反光屏、光源且高宽可调的背景支架。

油流图谱摄像的采用像素3600万量级数码相机和焦距为25mm～50mm广角镜头以及24mm～70mm平视场微距中焦镜头。为避免相机抖动造成图像模糊，配有套装相机脚架，相机及脚架。

3、停止所述试验风洞，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，停止所述试验风洞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。

实施例一

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，用于试验Ma数为5的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，包括如下步骤：

1、配比30质量份硅油和32质量份白油形成调和油剂，在调和油剂中加入38质量份的示踪粒子，最后按照每50克混合油剂滴入2g油酸的比例进行抗凝剂添加，形成风洞复杂流动油流试验混合油剂。

2、清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装并调整光源***和图谱摄录***。

3、将风洞复杂流动油流试验混合油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数为5、试验需要的初始模型姿态角及33秒的吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱；

4、停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。

5、分析试验结果。

实施例二

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，用于试验Ma数为6的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，包括如下步骤：

1、配比33质量份硅油和30质量份白油形成调和油剂，在调和油剂中加入37质量份的示踪粒子，最后按照每50克混合油剂滴入2g油酸的比例进行抗凝剂添加，形成风洞复杂流动油流试验混合油剂。

2、清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装并调整光源***和图谱摄录***。

3、将风洞复杂流动油流试验混合油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数为6、试验需要的初始模型姿态角及33秒的吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱；

4、停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。

5、分析试验结果。

实施例三

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，用于试验Ma数为7的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，包括如下步骤：

1、配比34质量份硅油和29质量份白油形成调和油剂，在调和油剂中加入37质量份的示踪粒子，最后按照每50克混合油剂滴入2g油酸的比例进行抗凝剂添加，形成风洞复杂流动油流试验混合油剂。

2、清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装并调整光源***和图谱摄录***。

3、将风洞复杂流动油流试验混合油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数为7、试验需要的初始模型姿态角及35秒的吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱；

4、停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。

5、分析试验结果。

实施例四

一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，用于试验Ma数为8的风洞复杂流动彩色荧光油流试验，包括如下步骤：

1、配比35质量份硅油和26质量份白油形成调和油剂，在调和油剂中加入39质量份的示踪粒子，最后按照每50克混合油剂滴入2g油酸的比例进行抗凝剂添加，形成风洞复杂流动油流试验混合油剂。

2、清洗试验模型，将试验模型安装于试验风洞内，安装并调整光源***和图谱摄录***。

3、将风洞复杂流动油流试验混合油剂涂抹于试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数为8、试验需要的初始模型姿态角及35秒的吹风时间，启动试验风洞，获取瞬态油流图谱；

4、停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱。

5、分析试验结果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，包括步骤：

配置风洞复杂流动油流试验混合油剂，所述风洞复杂流动油流试验混合油剂包括调和油剂、示踪粒子和抗凝剂，所述调和油剂的黏度为200-300mPa.s，所述示踪粒子包括钛白粉和荧光指示剂；

清洗试验模型，将所述试验模型安装于试验风洞内，安装其他试验设备；

将所述风洞复杂流动油流试验混合油剂设置于所述试验模型的表面形成油剂层，设定试验Ma数、模型姿态角及吹风时间，启动所述试验风洞，获取瞬态油流图谱；

停止所述试验风洞，拍摄静态油流图谱；

在配置风洞复杂流动油流试验混合油剂的步骤中，包括：

通过配置不同质量比的钛白粉和调和油剂，得到不同黏度的混合物，绘制黏度与油粉质量比的关系曲线；

结合实际试验中的模型姿态角及模型布局，根据试验Ma数绘制试验Ma数与黏度适应曲线，结合黏度与油粉质量比的关系曲线，得到预配置方案，按预配置方案配置所述示踪粒子、所述调和油剂及所述抗凝剂；

将所述示踪粒子置入所述调和油剂，搅拌均匀，取部分配置好的风洞复杂流动油流试验混合油剂用黏度计进行黏度抽检；

所述调和油剂包括硅油和白油；

当所述试验Ma数为5-8时，所述调和油剂中的硅油的质量比为30-35%，所述调和油剂中的白油的质量比为26-32%。

2.根据权利要求1所述的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，所述示踪粒子中的所述钛白粉直径为75微米。

3.根据权利要求1所述的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，当所述试验Ma数为5时，所述调和油剂中的硅油的质量比为30%，所述调和油剂中的白油的质量比为28%。

4.根据权利要求1所述的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，所述抗凝剂采用油酸。

5.根据权利要求4所述的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，在所述调和油剂和所述示踪粒子调配形成的每50g混合物中添加2g所述抗凝剂。

6.根据权利要求1所述的风洞复杂流动彩色荧光油流试验方法，其特征在于，所述吹风时间为30-35秒。

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