气体动力学实验技术.pdf

气 体 动 力 学 实 验 技 术 吴 承 康 言 在 气体 动 力 学 的 发展 中 验证 气 体动 力 学 理 论 、 都 需要 进 行 实 验 。 面 , 实 验工 作 一 直 是 极 其 重 要 的 一 环 , 无论 在 观 察 基本 现 象 取 得基本参 数 , 或是 在 进行模 型 试 验 新 的实 验设备 、 测 试 技 术 和 模 拟 试 验 方 法 不 断 地 出现 技 术 的 发 展 不 但 与 航 空和 空 间技 术 发 展 有 关 术研究 有关 、 。 取得 综合 性 能 数 据 等方 、 , 并 且 也 和 自然 现 象 研 究 , 目前 在 大 型 模 拟 试 验 设 备 。 气 动 实验 工 业 应 用和 新技 。 国外 在 气 动 实 验 方 面 投 入 相 当大 的 力 量 。 、 测试技术 本 研 究和 飞 行 试 验等 方 面 进 行 大 量 工 作 , 其 中 不 少 达 到 较高 水 平 技术 进 展 为 基 础 的 侧 量 技 术 已 较 多 应 用 , 试 验 和 数 据 处 理 的 自动 化 程 度 也 比 较 高 的 细 致 精 确程 度 不 断 取 得 进 展 。 , 保 证 提供 精 确 可 靠 的 试 验 条 件 们 需 要 在 总 结经 验 的 基 础上 主 要表 现 在 很 多 设 备还 未 完全 过 关 测 试 工 作 跟 不上 试 验 的 要 求 应 我 国科学 技 术 发 展 的 迫 切 需 要 、 一 忆行 试 验 为 取 得 基本 数 据 究 和 一 般 工 业 应 用 方 面 的 实验工 作 , 在 此 不加 讨论 。 但是 以 致还 不 能 经 常 以 致 往 往 得 不 到 全 部所 需 , 。 我 使之适 直 接 为生 产 型 号 服 务 的 、 在 大 型模 拟 发 展 试 验 和 测试 技 术 , 进行基础研 , 一 般 可 以 在 较 小 的 设 备 中进 行 。 这里 只对第三类 、 。 前 面 两 种工 作属 于 即基础 研究和 一 般工业应 用方 。 面 的 气 动 实验 技 术 进 行 讨 论 、 在 气 体 动 力 学 各分 支 中 验 , ”, 有 目的 地 努 力 提高 气 动 实验 技 术 的 水 平 试 验 设 备 中进 行 的 气 动 实 验 , 实验 。 气 动 实验 大 体 上 有 三 类 二 。 以 致 常 常 有试 验 目 的 和 技 术 途 径 不 清楚 的 问题 , 有计 划 , 取 得 了不 少 研 究 成果 , “ 试 验 方 法 的研 究还 不 够 多 产 业 部 门的 专 门 范 围 以 新的物理 学和 电子 , 目前 已 有 一 批 气 动 实 验 设 备和 一 支气 动 实 验 队 伍 , 基 年 以 来 有 很 大 发 展 在 原 来 几 乎是 空 白 的领 域 内 开展 了大 这 方 面工 作 还 是 一 个 薄 弱 环 节 的数 据 、 。 我 国气 动 实 验 研 究 自 量工 作 、 应开 展 的 气动 实验研 究 工 作 , 都 需要 进 行 相 应 的实验 研 究 各分 支 学 科 应 根 据本 学 科发展 的需要 , 。 在 这 里 不 可 能 提 到 每一 项 实 建 立 各种 专 门 的 实验 设 备 。 总 的来说 , 气动 实 验 的 内容 不 外 以 下 三 项 握测量技术 , 即 建立 实 验 设 备 , 也就是 创造 适 当的试 验环 境 掌 握 模 拟 试 验方法 即 定 量地 观 察试 验 中各 种 因 素 的变 化 , 设计 和 安 排试验 , 使 得 到 的结果 是 有 实 际 意 义 的 掌 即合理地 , 。 气 动 实验 设 备 的 研 究 下 面 举 几 项 近 年 内有较 多 发 展 的实 验 设 备 激波管和激波风 洞 作 , 利 用 激 波管和 激 波 风 洞 进行 各 种气 动 和 物 理 化 学 过 程 研 究 的 工 近 二 十 年 来 有很 大 进 展 数 据 的 研究 工 具 。 。 到现在 这 一 类 设 备 已 成 为 多 用 途 的 和 产 生很 多 重 要 墓 本 , 由于 激 波 的 瞬 时 压 缩过 程 , 使很 多 气 体 中物 理 化学过 程 速 率 的 测 定 成 为可 能 。 很 多 基本 数 据 如 气 体 分 子 的 各 种 松 弛 时 间 测 出的 。 利 用 激 波 产生 的高温 高 压 气 体 虽 然 运 行 时 间较 短 , 动 的激波管 为可 能 , 、 也 能 得 到所 需 的 结果 激 波 管 技 术 本 身 也 有很 多新 发 展 ” 用 多 个 激 波管 联 合 产生 连 续 高 温 气 流 的 激 波 过 热 器 等 、 压力 、 密度 、 化学 成 分 、 作用力 、 用 于 各 种 气动 实 验 。 同 时对 激波 管 备 和 高 比 冲 空 间推 进 器 究 如 气动 激 光 , 并 且 在 加 工 工艺 、 化工 、 磁 流 体 发 电 等 工 作 中都得 到 了 应 用 、 冶炼 。 它 在 高速空 气动力 学 具 有 独特 的 地 位 它 在 工 业 应 用 中也 有很 大 的 实 际 意 义 、 采掘 用 高压 氢 气驱 动 的 小 型 高 速 炮 平衡气 流 中电子 的产生 和 消 失 等 。 电光源 、 。 激波 使之适 以 及新技术研 应该 开 展 这 方 面 的 研 究 。 , , 研制 同时 结合 各 种 应 用进 行 高 。 是 取 得 一 系 列 物理 化 学 气 体 动 力 学 基 本 参 。 如 用 于 研究 高 温 气 体辐 射 性 质 应 利 用 已 有 的 设 备 开 展 这 些 方面 的 研 究 , 、 非 并发展这种 由于 现 有 的 气 动 实 验 设 备 还 不 能 满 足 科 学 技 术 发 展 的 需 要 应 该 不 断 总 结 各 类 设 备 的 现 状 及 其 发 展 前途 投 资少 的 新型 气动 实 验 设 备 的途 径 管外 还 有 不 少 种 类 案 , 、 。 新 型 气动 实验 设 备 。 、 物 理 化学气 体动 力 学 和 电 磁 流 体 力 学 的 实 验 研 究 数 和 研 究 某 些 物 理 化学 气 体 动 力 学 现 象 的 有 用 工 具 能好 开展 用激 波 管 物 理 化 学 气 体 动 力 学 和 电磁 流 体 力 学 的领 域 中 出 适 合 各种 用 途 的 电弧 加 热 装 置 并 细 致 了 解 其 内 部 工 作过 程 试验技术 , 由于 电 弧 加 热 能 连 续 地 产 生 几 千 度 。 高速 炮 新 的测 量工 具 的 电 弧 加 热 气 流 不 仅 用 于 高 速 飞 行 的 气 动 模 拟试 验 设 到几 万 度 的 气 体 速气 体 动 力 学 如 用 爆震 波 驱 激 波 风 洞 等 技 术 本 身 进行 研 究 , 、 设备 投 资与 。 电 弧 加 热 技 术 包 括 电磁 加 速 、 、 。 , 。 。 传 热 率等 参 数 的 精 确 侧 量 成 应该 结合 高 速 气 体 动 力 学 和 物 理 化学 气 体 动 力 学 的 需 要 风 洞 测 量 各项 基 本 参数 的 工 作 、 气动 激 光 等 项研 究 的气 源 “ 发 展 使 激 波 管 中的 温 度 。 。 化学 反 应速率常 数 等都是 用 激 波管 可 作 为气 动 试 验 但 与近 代 的快速 测 量 技术 配 合 共 他 类 型 气 动 实 验 设 备相 比 是 较 低 的 , , 、 , 。 , 同 时 不 断 探 寻 用 新原 理 就 新 方法来实现性 例 如 利 用 气 体 中压 力 波 的 实 验 设 备 , 除激 波 也提 出 了一 些 用 新 的 储 能 原 理 来 实 现 高 温 高 压 大 流 量 实验 装 置 的 方 冷却 、 抽 真 空 装 置 的优 缺 点 气动 实 验 中需 要 测 量 的 参 数 很 多 , 并 且 往 往 不 很 容 易测 量 分析 比 较 各 种 能源 意 义 的工 作 、 , 、 加温 、 , 试 验新 的 原 理 , 也是很 有 。 气动 测量技术 的研究 度 、 压力 、 密度 物体的反 应 等 。 、 速度 、 成分 、 辐 射特 性 、 电特 性 往 往 还需 要测 出这 些 参 数 的 局 部 值 , , 例如气 流 的 流 量 以及气流对 物 体 的作 用力 测 分布 和 瞬 付值 、 、 温 加 热和 有脉动 或试验 。 时 间很 短 用程度 。 在 正 常 工 作 的 实验 设 备 中 、 高 的气流 总 温 是 相 对 地 比较 成 熟 的 , 不 太 小 的 作 用 力等 器 。 密度 、 度 流速 , 、 。 、 、 精确化 白动 化 气 体 和 固 体辐 射 用 电子 学 目的 需 要 、 气 流总 压 、 不太 使我 们 不 致 在 这 些 测 量 、 控制 器 和 记 录 、 属 于 快 速测 量 或 高 温 近 年 来 利 用 现 代 科 学 技 术 新工 具 测 量 气 动 参 、 激光 等 手 段 结合 气体 成 分 和 分 子 激 发 状 态 , 电 磁 学 和 微 波 方法 测 电 子 密 度 等 电 特 性 测 量 气 体温 , 用 质谱仪 测 成分 , 用声 , 用 各 种 射线 测 气 体 密 测力 , 用热 线 风速 仪 测 湍 流 参数 等 等 。 应 根据 研究 题 开 展 这 些 新 的 测 量 技术研究 。 为 了 更 好 地进行 这 方 面 的 工 作 , 应 组 织 有一 定 用 压 电和 其 他 电子 技 术 测 压 , 。 存 在不 少 困 难 如 用 光 学 和 光谱方 法 并 与 电子 束 、 , 应 定 型 生 产 一 些 性 能 良好 的 传 感器 、 、 但 即使 这 些 参 数 的测量也还 要 注 意 各 种影 响 精 确 度 如 上 述 几 种 实 验 设 备 中的测 量 学法 测温 度 , 例 如 普通 的 气 体 流 量 很 多 气 动 实 验 参数 的 测 量 , 。 必须十分 重 视 测 量 技 术 的 研究 以 适 应 气 动 实验 工 作 的 需 要 数 的工 作 开 展 很 多 度 , 往 往 决定 了 实 验 结 果 的 有 , 。 低 压 等特 殊 条 件 下 的测 量 、 。 并 使 这 些 测 量 的 方 法 和 设备标 谁化 , 上 遇 到 很 多 问题 和 花 费 很 大 精 力 , 。 因 此 测 量 技 术 在 气 动 实验 中起 关 键 性 的 作 用 有 一 些 参数 的测 量 的 因素 测 量 技 术 完 善与 否 , 光 学 和 电 子 学 研 究 力 量 的测 量 仪 器 研 究 工 作 队 伍 。 气动 模 拟 试 验 理 论 和 方 法 的 研 究 气 动 现 象 往 往 比 较 复杂 此 , , 尤其 是 有 物理 化 学 现 象和 电 磁现 象 在流 动 中 出 现 时 更是 如 所 以 完 全 的相 似 往 往 是 不 可 能 的 。 完全相 似 的 模拟试 验也 是 不 必 要 的 结果 , 现 数值 , 在 很 多情 况 下 并 对 其 规 律 进行 实 验 研 究 。 。 试 验参 数 和 实际 有差 距 时 若 由于 设 备 条 件所 限 , 在模拟 试 验 中取 得 有 用 的 用 无 量 纲 参 数 表达 的 试 验 条 件 变 化 范 围 最好 达 到 实际 的 , , 。 , 必须 用适 当的 理论 进行外 推 以 致 得 到 错 误 的结 果 保 证 主要 因素 的相 似 反 应 时 间之 比 往 往 是 主要 的 相 似 参数 部时 , , 模 拟 试 验 的 任 务 是 使 在 实 际 中起 重 要 作 用 的 因 素 和 基 本 现 象 在 实 验 中 出 须 区 别 主要和 次 要 因 素 法 由于 只 需就 主 要 因 素进 行 试 验 。 要避 免 在 外推 过 程 中遇 到 纂本 现 象的质变 , , 如 何 用 所 能 达 到 的 条件 是 模 拟 试 验 理 论需要解 决 的 问题 一般来说 , 。 。 。 在 复 杂 的情 况 下 例如 在 化 学 非平衡流 动 中 , , 。 必 停 留时 间 与 其 他 流 动 中 亦 可 找 到 保证 主 要 相 似 参数 不 变 的 办 “ ” 如 适 用 于 某 些高 超音速 粘 性流动 的 二 元模 拟 法 则 。 当整 个 问 题可 以分解 为 几 个局 可 以 进 行 局 部 的模 拟 试 验 。 应 结合 各 种 类 型 的气动 问题 , 对 模 拟 试 验 问 题 进 行 理 论分析 和 实 验 验 证 。 这 项工 作 不 论 在 解 决 那 一 方 面 的气动 问 题 时 都 是 很 重 , 实践 , 要的 。 得 出最 佳 的 模 拟 试 验 方 法 气 体 动 力 学 实验 技 术 的 发 展 还 远 远 不 能 满 足 科 学 技 术 的 需 要 并 作 相 应 的安 排 。 , 。 经过反复 必 须 予 以 足 够 的重 视