油膜干涉法测量壁面摩擦应力实验报告-周鑫

研究生《流体力学实验》

——油膜干涉法测量壁面摩擦应力

实验报告

学 号 姓 名 实验日期 指导教师

北京航空航天大学流体力学研究所

一、实验目的

1. 掌握油膜干涉法测量壁面摩擦应力的基本原理、应用方法和测量过程中应注意的

技术问题。

2. 以不同攻角下平板边界层流动为观测对象，学会利用油膜干涉法测量不同边界层

性态下（层流和湍流）的壁面摩擦应力，了解层流和湍流边界层表面摩擦应力差别；并学会如何利用这种方法去观测表面流动的典型复杂现象，如判定边界层转捩位置、流动分离和再附及分离泡等，对这种方法能够用来解决哪些流体力学问题有一个直接全面的了解。

二、基本原理

油膜干涉法是基于薄油膜在剪切应力作用下表现出的特性，原理如图1所示。首先将油凃于模型表面形成薄油膜，当有流体流过，油膜变薄。利用干涉法测量油膜厚度随时间和壁面位置的变化，通过薄油膜方程可以确定当地

壁面剪切应力。油膜干涉法积分形式的壁面摩擦应力（亦称剪切应力）系数计算公式：

Cf

2nocos x

t2

N dt

t1 (t)

其中：n0为硅油的折射率，在硅油的规格说明上可以找到；θ为光线折射角，先测量入射角θi再计算得到；λ为实验选用单色光的波长；q∞ (t)为来流动压； x为实验干涉图像中N级条纹的总宽度，如图1所示；μ为硅油动力粘性系数；t为时间，吹风时间t1到t2。

三、实验设备和实验装置

2.1 水洞设备

北航 D-1 低速风洞为三元回流式开口风洞，见图2。实验段截面呈椭圆，尺寸为 1.02 米×0.76 米，长 1.45 米。最大风速40m/s，本次实验风速可设定为30m/s。

2.2 实验模型

实验采用平板模型，如图3a所示，弦长400mm，展长560mm，厚20mm。头部采用1：3半椭圆形状。为保证流动二维性，侧面采用两块直径为600mm、厚20mm的端板，端板边缘加工成圆弧用于整流。模型安装时，转轴穿将平板模型和两端板连接起来，转轴位于端板中心。实验时，两端板固联于风洞，模型可转动。根据实验攻角变化间隔和范围，在端板上加工一组定位销孔，通过销钉与模型上削钉孔分别对应，实现攻角变化。可变攻角范围α= 0°～20°，间隔 α=2°。 2.3.实验装置和观测系统

实验装置和测试系统如图3b所示。包括照明灯具，模型表面处理，硅油和图像记录设备。

照明灯具：选用欧司朗牌高压钠灯，波长589nm，功率200W。

模型表面处理：模型表面要求可反射光，表面粗糙度低，折射率高。固需在测量区域粘贴聚酯薄膜（Mylar 膜），然后熨斗熨烫，保证薄膜贴附平整牢靠，避免起皱、

气泡和划痕，如图4所示。

硅油：选用阿拉丁牌实验室级二甲基硅油，粘度为100mPa·s，折射率1.4。 图像记录：选用SONY DV 摄像机（型号HXR-MC58C）进行拍摄和记录干涉条纹图像，1200万像素，记录频率25帧/秒。

注不同攻角下边界层流的性态（层流还是湍流）和发生的复杂流动现象，如转捩、流动分离何再附等，并判断这些流动变化发生位置（转捩点、分离点及分离泡范围等）。实验攻角范围α= 0°～20°。

2. 根据上述定性观测结果，选择边界层为层流和湍流的两个典型状态，定量测量对

应的壁面摩擦应力大小（计算一个流向位置即可），给出测量结果。对于其中的层流边界层测量结果，给出理论计算结果进行比较分析。

五、实验记录

1.必要的实验参数，如照明光入波长和折射角，硅油粘度（和温度有关）和折射率等。

2.利用照相机或摄像机记录油膜干涉法的干涉条纹图像。

3.定量测量过程需记录整个风洞吹风过程中动压的数据q∞ (t)，如图5所示。

六、实验步骤与实施

1. 熟悉实验设备和仪器，安装模型和实验测试系统，做好实验准备； 2.记录必要实验参数；

3. 调整并确认实验攻角，模型表面涂油膜。 4. 开车启动风洞，风速调整到30cm/s；

5. 观察油膜干涉图像，图像效果比较好时，关闭风洞。近距离拍摄吹风后油膜干涉

图像。

6. 清除模型表面油膜，调整攻角到新的状态，重复步骤3-5。 注：定量测量壁面摩擦应力实验需要全程记录动压数据。

七、实验报告(参考提纲)

1．实验条件和参数记录

①实验雷诺数Re= U∞L /υ，其中U∞为实验风速， L为平板长度，υ为空气运动粘性系数；

②试验平板攻角α；

③定量测量实验还需记录：硅油的折射率n0；硅油动力粘性系数μ；单色光的波长λ；光线入射角折射角θ（通过测量入射角θi再计算得到）；实验过程来流动压q∞ (t)来流动压；干涉条纹结果中N级条纹的总宽度 x；以及吹风起始时间t1和t2等。 2．实验结果和分析

①通过油膜干涉法定性观测结果，描述和分析平板边界层流动随迎角变化的典型流动现象，重点关注不同攻角下边界层流的性态（层流还是湍流）和发生的复杂流动现象，如转捩、流动分离何再附等，并给出这些流动变化发生位置（转捩点、分离点及分离泡范围等）。

实验结果：

（1）攻角α=0°——流动为层流

由图片可以看出，油膜干涉形成的条纹宽度均匀，故流动没有发生转捩、分离和再附的现象，流动状态应为层流。

（2）攻角α=4°——流动发生转捩

当攻角增加为4°时，干涉条纹在某处突然变宽，可见在这一点，流动发生了转捩。经测量，转捩点在距前缘93mm处,结束处距离前缘110mm。转捩发生前流动为层流，剪切力小，故条纹较窄；转捩发生后，流动变为湍流，剪切应力增大，故条纹变宽。

（3）攻角α=14°——流动发生分离和再附现象

在上图中，我们发现干涉条纹在油线的上方形成，壁面的流动方向应是向前的，这是由于分离泡造成的。下图中干涉条纹出现在油线下方，可见此时流体的流动方向发生了改变，形成再附的现象。经测量，再附点在距离前缘170㎜处。

（4）攻角α=20°——流动发生分离

上图为攻角20°时，流动发生分离的现象图，但此后并未发生再附。分离点在距前缘113㎜的地方。

②根据上述定性观测结果，选择边界层为层流和湍流的两个典型状态，定量测量对应的壁面摩擦应力大小，给出测量结果。对于测量边界层测量结果（α= 0°），计算理论结果进行比较分析。

（1）当边界层为层流状态，即攻角α= 0°。

壁面摩擦应力公式为 Cf

2nocos x

，取油线与距离前缘200mm处，经计算

t2N dt

t1 (t)

此处入射角 38.262，入射光波长 589nm，二甲基硅油的折射率取no 1.4，二甲基硅油的运动粘性系数取常数 (t)

100mPas。

取图中N=3级条纹的总宽度 x=3.23mm。动压与时间的记录如下图：

由公式

2nocos xt2

tdt C 510717.3Pas，带入公式=0.0007869 f t1q t2N dt

t1 (t)

（2）层流边界层壁面摩擦应力理论值计算 由无量纲切应力公式：

cfi

0.664

x

Rex

Vx3

，空气密度 1.225kg/m，风速V 30m/s，x 200mm，空气的

6

粘度 17.8 10Pas。 带入无量纲切应力公式得（3）相对误差的计算

c

fi

0.00103。

cc 相对误差 c

f

fi

fi

23.6%

3.思考并回答问题

1.通过自己实验测量过程，分析那些环节可能产生误差？并提出如何改进测量可靠性。

a.

实验装置：本次实验采用的Mylar膜由于长期的使用同平板之间已经出现了

气泡，表面也有一些划伤，这对实验的效果可能会造成一定的影响，另外，实验器材在安装时不可能做到完全没有误差，例如产生入射光的器材，由于安装条件的限制，真实的入射角同理论值会有偏差，这些都会对计算结果产生影响；

b.

实验过程：在最后进行定量测量时，数据的采集是利用刻度尺和DV，首先

刻度尺的摆放不一定与油线完全平行，另外用DV拍摄由于角度的问题，在最后进行测量时也会造成误差；

c.

计算过程：由于速度点是离散的，对于动量积分肯定是一定的误差的。对于

明暗条纹的宽度测量还有一定的误差。

对于误差，在实验中是不可避免的，我们只能尽量减小这些的影响，例如安装实验器材室尽量减小误差，测量明暗条纹的宽度时多测量几级条纹，刻度尺尽量同油线保持平行等。

2.如何利用油膜干涉法观测边界层转捩、流动分离和再附？

答：若干涉条纹突然变宽，可以判定边界层发生转捩；若发现在油线的上方形成干涉条纹，则可以判定流动的方向相反与气流方向，边界层发生了流动分离；在流动发生分离后，若干涉条纹再次出现在油线下方，则判定流动发生再附现象。 3.如果测量有曲率的模型表面，如机翼表面的剪切应力，会有什么问题？如何消除曲率影响？

答：首先由于机翼表面不是平面而是曲面，油墨法在曲面上测量时，需要确定测量点处曲面切面与标定平面之间的夹角（校准角）。如图，

解决方法主要有三种，一种是尽量减小入射角，或直接采用CCD顶置法，将标准准入射角设为 0；另一种是尽量将校准点定在测量区域的中心，减小透视角对校准角的

影响；最后一种就是尽量缩小单张测量图的测量范围，不但可以减少透视引起的长度缩减，在较大曲率的表面测量时也减小了校准偏差。

4.本项实验为新开发内容，你认为开设这项实验有无必要？对实验的内容设置以及实验过程的组织和安排有哪些意见和建议？通过这项实验自己有哪些收获？

答：有必要，由于是新开发的内容，在实验过程中可能会遇到一些问题，学生可以自己动脑去解决，从而开对改进实验有一定的帮助。在实验过程中我感觉自己动手的机会比较少，这是很遗憾的地方。通过这次实验，我了解了一种新的观察和测量边界层流动的实验方法，对边界层的流动有了更清楚的认识。

参考文献：

[1]韩政，油膜干涉法测量壁面摩擦应力的实验方法[D]. 北京：北京航空航天大学学士论文，2013.

[2]丁超：油膜干涉法测量表面摩擦应力的实验研究[D]. 南京：南京航空航天大学硕士论文，2012.

[3] Naughton JW, Sheplak M. Modern Development in Shear-stress Measurement[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2002, 38: 515-570.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mgue.html