基本介紹
- 中文名：絲線法
- 外文名：tuft method
- 套用：風洞試驗
- 作用：觀察實驗流態
- 原材料：纖維、尼龍絲等
- 發展方法：螢光絲線法。
簡介,風洞試驗,其他觀察方法,示蹤方法,光學方法,螢光微絲法,背景,方法介紹,
簡介
將絲線、羊毛等纖維貼上在要觀察的模型表面或模型後的格線上,由絲線的運動(絲線轉動、抖動或倒轉) 可以判明氣流的方向和分離區的位置以及空間渦的位置、轉向等。現在又發展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用螢光染料處理後再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，並且可以拍攝下來。粘絲很細，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗。此法稱為螢光絲線法。
風洞試驗
空氣動力學實驗分實物實驗和模型實驗兩大類 。實物實驗如飛機飛行實驗和飛彈實彈發射實驗等，不會發生模型和環境等模擬失真問題，一直是鑑定飛行器氣動性能和校準其他實驗結果的最終手段，這類實驗的費用昂貴，條件也難控制，而且不可能在產品研製的初始階段進行，故空氣動力學實驗一般多指模型實驗。空氣動力學實驗按空氣(或其他氣體)與模型(或實物)產生相對運動的方式不同可分為3類:①空氣運動，模型不動，如風洞實驗 。②空氣靜止，物體或模型運動，如飛行實驗、模型自由飛實驗(有動力或無動力飛行器模型在空氣中飛行而進行實驗)、火箭橇實驗(用火箭推進的在軌道上高速行駛的滑車攜帶模型進行實驗)、旋臂實驗(旋臂機攜帶模型旋轉而進行實驗)等。③空氣和模型都運動，如風洞自由飛實驗(相對風洞氣流投射模型而進行實驗)、尾旋實驗(在尾旋風洞上升氣流中投入模型，並使其進入尾旋狀態而進行實驗)等。進行模型實驗時，應保證模型流場與真實流場之間的相似，即除保證模型與實物幾何相似以外，還應使兩個流場有關的相似準數，如雷諾數、馬赫數、普朗特數等對應相等(見流體力學相似準數)。
實際上，在一般模型實驗(如風洞實驗)條件下，很難保證這些相似準數全部相等，只能根據具體情況使主要相似準數相等或達到自準範圍。例如涉及粘性或阻力的實驗應使雷諾數相等;對於可壓縮流動的實驗，必須保證馬赫數相等，等等。應該滿足而未能滿足相似準數相等而導致的實驗誤差，有時也可通過數據修正予以消除，如雷諾數修正。洞壁和模型支架對流場的干擾也應修正。空氣動力學實驗主要測量氣流參數，觀測流動現象和狀態，測定作用在模型上的氣動力等。實驗結果一般都整理成無量綱的相似準數，以便從模型推廣到實物。
風洞一般稱之為風洞試驗。簡單地講，就是依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在地面人工環境中，人為製造氣流流過，以此模擬空中各種複雜的飛行狀態，獲取試驗數據。這是現代飛機、飛彈、火箭等研製定型和生產的"綠色通道"。簡單的說，風洞就是在地面上人為地創造一個"天空"。
其他觀察方法
風洞中流態觀察方法大致為分兩類:第一類是示蹤方法;第二類是光學方法。
示蹤方法
①煙流法 用風洞中特製煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞;也有將塗有油的不鏽鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱,產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散,必須採用大收縮比的收縮段、穩定段或風洞入口加裝抗湍流網和採用吸振性能好的材料製造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態。煙流法除用於觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。
②油流法 在粘性的油中摻進適量指示劑(如炭黑)並滴入油酸，配製成糊狀液態物，均勻地塗在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量螢光染料，則在紫外線照射下可以顯現出螢光條紋圖，稱為螢光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區、激波與邊界層相互干擾等流動現象。
③升華法 將揮發性的液體或容易升華的固體噴塗在模型表面，依據塗料從模型上散失的速度與邊界層狀態有關的原理(在湍流邊界層內由於氣流的不規則運動導致該處蒸發量或升華量大於層流處)來區分邊界層狀態，確定過渡點的位置。
④蒸汽屏法 在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經過光面時，由於離心力的作用，旋渦內外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑤液晶顯示法 利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物,溫度較低時，無色透明,隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變，能鑑別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前後的溫差。它適用於高速和超聲速流態觀察。液晶的塗法與漆類似，先稀釋，再噴塗。液晶對污物雜質敏感，噴塗時，模型表面必須乾淨。
光學方法
根據光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理製造出來的光學儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀(見風洞測試儀器)和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內採集大量的空間數據。它是一種直接顯示方法，特別適合於觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。
螢光微絲法
背景
在風洞中觀察物休表面流譜的方法，一般使用絲線法或油流法.絲線法只適用於低速風洞試驗.由於絲線較粗，故對氣流干擾較大，影響試驗結果的真實性，且不能在物休表面貼布很密，因而往往不能觀察到完整的流動圖形.油流法雖適用於高速，也可得到完整的流譜，但對風洞有污染，而且，若要觀察模型在另一姿態下的流譜，需重新塗布，費時等待，這對高速風洞是不經濟的.對油流流譜的判讀還需要有一定的經驗，否則易於判讀錯誤。
因此，有學者研究成功了一種觀察流譜的新方法—螢光微絲法，即用含有螢光物質的直徑僅為0.01~0.02毫米的合成纖維貼布於模型表面進行試驗.這種纖維尺度極小，能夠保持模型精度，對試驗結果影響小.螢光微絲在一般光線下肉眼很難察覺，但在紫外線激發下能呈現出耀眼的亮度，使細絲的直徑似乎增大了幾十倍甚至百餘倍，這就使適時觀察或照相記錄都方便得多。
方法介紹
螢光處理：螢光處理有兩種方法，一是選用合適的螢光染料進行染色，但因合成纖維表面均極光滑很難直接染上螢光物質。另一方法是將能激發各色螢光的物質先製成纖維原材料再抽成細絲。
柔化、抗靜電處理：尼龍絲或滌綸絲直徑雖細，但因材料本身的彈性模數較大，故在切短後顯現太硬，需加以柔化處理，以使其隨氣流的飄浮性更好。同時，微絲與氣流不斷磨擦，會引起靜電積聚，從而相互吸附或吸附於模型表面，因此還需進行抗靜電處理。
貼上方法：對低速木模，微絲可用塗布油貼上，貼絲的密度需視模型大小以及所觀察的流動頻型而定。大的模型，間隔可稍大，微絲也可稍長。在觀察如三角其的脫體渦等的流動時，貼絲應短而密。為使微絲不至於絞在一起，我們認為長度與間隔距離之比以2:1為好.貼布時還應注意挑選直而不扭彎的微絲。對高速金屬模型可用20號膠水貼上，用軟布沾以香蕉水可以抹去模型上的微絲。
對模型表面的要求：模型表面需儘量減少反射，對於金屬模型，最好不要拋光，對塗漆模型應塗弱反光的漆，漆的顏色應與所選用的螢光色有較大的差別。
