矩形机翼纵向气动特性测量实验.pdf

空气动力学实验之八矩形机翼纵向气动特性测量实验班级 姓名 实验日期 指导教师北京航空航天大学 航空科学与工程学院 流体力学教育部重点实验室2005 年 5 月1 一、实验目的1．了解测力系统三分力天平的工作原理以及天平静力校测的基本方法2．通过测定一矩形机翼的升力、阻力和力矩随迎角改变而变化的规律，熟悉风洞实验的基本原理，掌握获得机翼气动特性曲线的实验方法二、实验设备及工作原理简介1．风洞风洞是产生人工气流的设备，其种类繁多 这次实验所用风洞是三元闭口直流式风洞，如图 1 所示其主要组成部分为收缩段、试验段、扩散段和动力装置1─ 收缩段 2— 试验段 3— 扩散段 4— 风扇5— 安全网 6— 整流栅 7—直流电机图 1 闭口直流式风洞动力装置包括直流电机和风扇电机功率为30 马力风扇转动后，将空气吸入风洞中，通过调节电机转速以获得不同的实验段速度收缩段前装有整流栅，整流栅是做成方格状的，用来消除气流中的大旋涡气流通过收缩段后，流速增大，这样可使进入试验段的气流较为均匀试验段的长度为1.52 米，截面是正方形的，面积为0.914× 0.914m2，模型放在其中进行试验。

扩散段的功能是使试验段后面的气流减速后再排入大气，以减少能量损失2．风速管和U 形管压力计：风速管是测量气流速度的仪器如图2 所示它由内管和外管组成内管在其前端开口；外管在其侧表面开小孔当风速管迎向气流时，内管口的气流速度将被阻滞为零，此时内管中感受的是当地总压P0，而外管侧表面孔感受的为当地静压P根据PvP122 06 1 2 5 4 7 3 2 即得smPPv/)(2 0图 2 风速管式中： v— 气流速度； ρ— 空气密度；总压 P0和静压 P之差可以通过U 形管压力计测出U 形管压力计是测量压强差的仪器，如图 3（a）所示 测量时将被测量流体压强通过管道引致U 形管两端，此时两管的液柱差h 即表示被测量的压强差它们之间的关系可用下式表示：PPh12式中：为压力计中液体的比重，单位为kg/m3为了使目测读数更加精确，常常将压力计倾斜一角度φ 如图 3（ b）这时测得压强关系式为HPP21(a) (b) 图 3 U 形管压力计3．机械式三分量天平PPP0o o P1P2h H ooφ φP2P13 (1) 工作原理气动力天平是测量作用在模型上的空气动力的仪器它和一般测力的天平不同，气动力天平不仅可以测量气动力，并且还可以测量气动力矩。

在进行飞行器的气动力实验时，作用在模型上的总气动力和总气动力矩的确切方向一般是未知的，而气动力天平则具有分解和传递气动力和气动力矩的功能，以分别测量出X、Y 和 Z 方向的分量天平可根据能测量多少个力和力矩分量来分类我们所做的实验是机翼的纵向气动力实验，只测量升力、阻力和俯仰力矩三个分量，因此使用三分量天平其工作原理如图4所示机翼模型用三根支杆与天平相连，前支杆(OF)为两根，其接头（F 点）约位于翼弦的1/4 弦长处，另一支杆AB 与机翼后缘伸出的横杆末端相联OABF 四杆组成一平行四边cc C 形，机翼弦线FB 偏转多少度，则AO 杆亦偏转同一度数在AO 杆上固连一指针，即可O O1A C 升力天秤阻力天秤力矩天秤刻度盘框架机翼模型Y X B F Mz V G H Wx I E D WMJ K Wy 图 4 三分力天平工作原理4 在刻度盘上读出相应的迎角值，因实验时模型反装，规定指针顺时针旋转模型迎角增大松开 O 处固定螺钉，旋转指针位置然后将固定螺钉拧紧即可改变模型迎角当机翼上受绕F 点俯仰力矩Mz时，AB 杆就有趋势上下移动，于是牵动杆AO ，并连同整个刻度盘都绕O1点转动，刻度盘上的C 点就上下转动，再通过传动机构CDE，把作用力矩传到力矩天平上，即可量出相应的力矩Mz。

当机翼上受到阻力X 作用后，就使整个框架向左偏转，再通过传动机构GHI ，就把这个作用力传到阻力天平上，即可量出相应的阻力X当机翼受升力Y 作用后 ,就使整个框架上下移动，再通过 JK 拉杆的作用， 就可在升力天平上量出相应的升力Y2)静力校测天平的校测是通过静校装置，模拟天平工作时的受力状态，对天平施加载荷，得到天平读数与气动力之间的函数关系在假设天平读数与载荷之间的关系是线性的条件下，可写出如下的函数关系WX=AXXX+ AYXY+AMXMzWY=AXYX+AYYY+AMYMz(1) WMz=AXMX+AYMY+AMMMz 其中 WX、WY、WMz分别为阻力天平、升力天平和力矩天平的读数，X、Y、Mz 为校测天平时所加的载荷阻力、升力和力矩，系数AXX意义为加单位阻力时对阻力天平读数WX的贡献， 系数 AYX意义为加单位升力时对阻力天平读数WX的贡献， 系数AXY为加单位阻力对升力天平读数WY的贡献，其余类推若（1）式的系数矩阵已知，则可解出如下关系X=CXXWX+CYXWY+CMXWMzY =CXYWX+CYYWY+CMYWMz(2)Mz =CXMWX+CYMWY+CMMWMz(2)式即风洞实验气动力测量应用的公式。

根据天平读数WX、WY、WZ即可计算出模型所受的气动力X、Y、Mz 式中 CXX意义为单位阻力天平读数对阻力的贡献，CYX为单位升力天平读数对阻力的贡献，其余类推根据上面分析，首先要求出AXX、AYX、⋯. 、AMM.等系数，若校测时同时加X、Y、Mz 等载荷，根据（1）式无法求出上述系数根据线性假设各载荷之间无系数的影响，因此可单位加载，例如只加阻力载荷X 时（ 1）式可写成WX=AXXX, WY=AXYX, WMX=AxMX(3) 根据（ 3）式则可求出5 AXX=WX/X, AXY=WY/X, AXM=WMz/X具体阻力加载过程是：从静校架上a 点引出一条钢丝绳，绕过滑轮，接到一个砝码盘上，在砝码盘上加砝码Gd，则钢丝将产生一个数值等于Gd的拉力，使天平受到了阻力 X，其数值等于Gd此时，记下各天平的读数，改变Gd，各天平的读数也随之变化实际测量结果是当只加阻力X 时，升力天平和力矩天平的读数为零，即AXX=WX/X, AXY=AXM=0 加 升 力 和 加 俯 仰 力 矩 得 到 同 样 结 果 ， 即AYY=WY/Y, AMM=WMz/Mz, AXY=AMY=AXM=AYM=0 这时（ 2）式亦可简化为X=CXXWX, Y=CYYWY , MZ=CMMWMz(4) 其中CXX=AXX, CYY=AYY, CMM=AMM。

以上叙述是为说明系数CXX、CYY、CMM是如何得到的，实验中不做静力校测现给出校测结果：CXX=2.383 N/lb , CYY=4.462 N/lb , CMM=0.991 Nm /lb静力校测示意图如图5 所示Wx a Gd 图 5 天平静力校测示意图4. 模型：本实验采用一矩形机翼，翼弦b=0.11 米，翼展l=0.66 米, 翼剖面型号为NACA23012 三、实验步骤阻力天秤G H I 校测架连杆天平平移台6 （1）安装模型，并检查各仪器设备是否正常2）将天平调至平衡位置，记下初读数WY0（升力天平的），WX0（阻力天平的）和 WMz0(力矩天平的 ) ，天平的读数单位为磅3）开动风洞，记下不同迎角α下的升力WY 、阻力 WX和力矩 WMz其中阻力包括与模型相联的支架阻力WX支同时，从压力计上量出液柱差的高度4）停车将天平等仪器恢复到原来状态5）整理数据，并绘制曲线四、计算公式（1）风速和动压s i n)(21 02hPPvs i nh2vφ式中： v —气流速度，m/sρ—空气密度，单位kg/m3 , 根据实验时的室温及大气压计算得出；10132516.288)16.273(102256.12tP4ξ—风速管修正系数；约等于1.0 。

γ—酒精比重；为808kg/m3h—压力计液面的高度差，m ；φ —压力计倾斜角；为300 2）升力系数Cy=Y/122vSY=CYYWY?WY=WY-WY0式中S- 模型机翼面积，S=blCy- 机翼升力系数Y- 机翼升力7 CYY=4.462 N/lb （ 3）阻力系数Cx=X/2v21SX=CXX×WXWX=WX-WX0式中Cx- 机翼阻力系数X- 机翼阻力CXX=2.383 N/lb （ 4）力矩系数Cm1/4=Mz1/4slV2 21/Mz1/4=CMM×WMZMz= Mz1/4+ 4bYCm= Mz /2v21sl WMZ=WMZ-WMZ0式中Cm - 机翼力矩系数，Mz - 机翼力矩，以机翼前缘为力矩参考点CMM=0.991 N ·m/lb 五、实验报告（一）根据实验结果用方格纸绘制升力系数曲线、阻力系数曲线和俯仰力矩系数曲线即：Cy( α), Cx( α), Cm(α) （二）绘制极曲线Cy = Cy( Cx) （三）回答下列问题：1. 机械式气动力天平通常由哪三部分组成？其中哪一部分主要决定了天平性能？2．什么叫失速？本实验中机翼的失速迎角是几度？它是怎样发生的？8 测定机翼的升力、阻力和力矩 实 验 报 告班级姓名实验日期指导教师实验数据记录和处理表9 名 称Wy ΔWy Y Cy 数据的来源测量（ 1）－ Wy0 4.462×(2) Y/122vs 单位lb lb N（牛）α项（ 1）（2）（3）（ 4）－4°－2°0°2°4°6°8°10°11°12°13°15°Wy0= ；h= ; S= vh2sin实验数据记录和处理表（续）10 名 称WxΔWx X C?xCx数据的来源测量(5)－Wx0 2.383×(6) (7)/122vs (8)-0.053 单位lb lb N（牛）α项（5）（6）（7）（8）（9）－4°－2°0°2°4°6°8°10°11°12°13°15°Wx0 = ；支xC=0.053 vh2sin11 实验数据记录和处理表（续）名 称WMZ0WMZ ΔWMz Mz1/4 Cm 数据的来源测量测量(11) －（ 10）-0.991 ×(12) (13)/ 2v21sb 单位lb lb lb N· m α项（ 10）（11）（ 12）（13）－ 4°－ 2°0°2°4°6°8°10°11°12°13°15°。