大學(xué)生物理實驗報告

　　篇一：風(fēng)洞試驗綜合

　　一. 風(fēng)洞試驗簡述：

　　實驗空氣動力學(xué)是空氣動力學(xué)的一個分支，是用實驗方法研究飛行器及其它物體在與空氣或其它氣體作相對運動時的氣動特性、運動規(guī)律和各種復(fù)雜物理現(xiàn)象。由于是直接研究物體與真實氣流間的相互作用，所得數(shù)據(jù)可以用作工程設(shè)計的依據(jù)，驗證理論計算結(jié)果并能揭示新的流動現(xiàn)象，為理論分析提供物理模型。

　　實驗空氣動力學(xué)作為一門分支學(xué)科是20世紀(jì)40年代形成的。它的形成同飛行器高速發(fā)展，要求迅速獲得大量復(fù)雜、精確、可靠的設(shè)計數(shù)據(jù)有關(guān)。它的主要內(nèi)容除空氣動力學(xué)基礎(chǔ)理論外，還包括實驗理論、實驗方法和實驗設(shè)備的知識。

　　實驗空氣動力學(xué)的主要任務(wù)是利用風(fēng)洞進(jìn)行模型實驗，以發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)流動現(xiàn)象、探索和揭示流動機理、尋求和了解流動規(guī)律，并為飛行器提供優(yōu)良?xì)鈩硬季趾涂諝鈩恿μ匦詳?shù)據(jù)，風(fēng)洞實驗所依據(jù)的基本理論是相對運動原理和相似理論。

　　相對運動原理：無論是固體以某一均勻速度在靜止的流體中運動，還是流體以相同速度流經(jīng)固體，兩者之間的相互作用力恒等。

　　相似理論：論述物理現(xiàn)象相似的條件和相似現(xiàn)象的性質(zhì)的學(xué)說。是模擬的理論基礎(chǔ)。相似理論的重要課題是確定各種物理現(xiàn)象的相似準(zhǔn)數(shù)。

　　風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動力學(xué)實驗的一種主要設(shè)備，幾乎絕大多數(shù)的空氣動力學(xué)實驗都在各種類型的風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞的工作原理是使用動力裝置在一個專門設(shè)計的管道內(nèi)驅(qū)動一股可控氣流，使其流過安置在實驗段的靜止模型，模擬實物在靜止空氣中的運動。測量作用在模型上的空氣動力，觀測模型表面及周圍的流動現(xiàn)象。根據(jù)相似理論將實驗結(jié)果整理成可用于實物的相似準(zhǔn)數(shù)。實驗段是風(fēng)洞的中心部件，實驗段流場應(yīng)模擬真實流場，其氣流品質(zhì)如均勻度、穩(wěn)定度（指參數(shù)隨時間變化的情況）、湍流度等，應(yīng)達(dá)到一定指標(biāo)。

　　風(fēng)洞實驗的主要優(yōu)點是：

　　① 實驗條件（包括氣流狀態(tài)和模型狀態(tài)兩方面）易于控制。

　�、� 流動參數(shù)可各自獨立變化。

　　③ 模型靜止，測量方便而且容易準(zhǔn)確。

　　④ 一般不受大氣環(huán)境變化的影響 。

　�、� 與其他空氣動力學(xué)實驗手段相比，價廉、可靠等。

　　缺點是難以滿足全部相似準(zhǔn)數(shù)相等，存在洞壁和模型支架干擾等，但可通過數(shù)據(jù)修正方法部分或大部分克服。

　　風(fēng)洞實驗的主要常規(guī)試驗有測力試驗、測壓試驗和流態(tài)觀測試驗等。測力和測壓試驗是測定作用于模型或模型部件（如飛行器模型中的一個機翼等）的氣動力及表面壓強分布，多用于為飛行器設(shè)計提供氣動特性數(shù)據(jù)。流態(tài)觀測試驗廣泛用于研究流動的基本現(xiàn)象和機理。

　　二. 實驗內(nèi)容：

　　1. 根據(jù)風(fēng)洞實驗段尺寸和實驗項目要求完成實驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)和模型支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

　　2. 編寫模型測力和流動顯示實驗大綱（或?qū)嶒炄蝿?wù)書）。

　　3. 固定風(fēng)速，改變模型姿態(tài)（例如，改變模型迎角）測量不同姿態(tài)下的模型氣動力；對模型做重復(fù)性試驗。

　　4. 對測力模型做流動顯示實驗（分別做模型煙流顯示實驗和油流顯示實驗）

　　三. 實驗儀器及設(shè)備：

　　D1低速風(fēng)洞主要組成部分為實驗段、擴(kuò)壓段、拐角和導(dǎo)流片、穩(wěn)定段、收縮段以及動力段。實驗段截面為橢圓面，其入口長軸為102cm，短軸為76cm，出口處長軸為107cm，短軸為81cm；實驗段全長1.45m；實驗段的最大流速為50m/s；紊流度為0.3%；實驗段模型安裝區(qū)內(nèi)，速壓不均勻度3%。其上游收縮段的收縮比為8.4。D1低速風(fēng)洞采用可控硅控制無級調(diào)速；配置有尾撐式—機構(gòu)及內(nèi)式六分量應(yīng)變天平。由信號放大器（GDA—10），A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板和計算機構(gòu)成測力天平信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　實驗原理：

　　當(dāng)物體以某一速度在靜止的空氣中運動時，氣流對物體的作用與同一速度的氣流流過靜止物體時的作用完全相同。風(fēng)洞就是一種產(chǎn)生人工氣流，對固定于風(fēng)洞試驗段的`模型產(chǎn)生氣動力作用的管道設(shè)備。

　　六分量應(yīng)變天平：是一種專用的測力傳感器。用于測量作用在模型上的空氣動力的大小。該天平能測量升力、阻力、側(cè)力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩。它由應(yīng)變片、彈性元件、天平體和一些附件組成。應(yīng)變天平是一種將機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵龅膶Ｓ迷O(shè)備。它是運用位移測量原理，利用天平的變形來測量外力大小。將應(yīng)變片貼在天平彈性元件上，彈性元件上的應(yīng)變與外力大小成比例，應(yīng)變片連接組成測量電橋，接入測量線路中，即可測出力的大小。應(yīng)變天平在測量過程中的參量變化過程如下：

　　PRUV

　　其中：

　　P—天平彈性元件上承受的氣動力。

　　—在氣動力P的作用下彈性元件上的應(yīng)變。

　　R—貼在彈性元件上的應(yīng)變片在彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的情況下產(chǎn)生的電阻增量。

　　U—由應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻增量R而引起的測量電橋產(chǎn)生的輸出電壓增量（mV）。

　　V—檢測儀器所指示的讀數(shù)增量（V）。

　　右下圖為一六分量應(yīng)變天平測量電橋示意圖。圖中標(biāo)有號碼處為粘貼有電阻應(yīng)變片的天平元件。例如號碼1、2、3、4為天平升力元件的四個電阻阻值相等的應(yīng)變片，它們構(gòu)成了一個全橋電路。當(dāng)天平升力元件

　　受載后，在電橋AC端將會有電壓信號U輸出，

　　該信號U將被引入信號放大器。

　　信號放大器（GDA—10）：其功用是將來自于天平

　　各分量電橋的微小電壓輸出放大到能被計算機接

　　受的電壓值。

　　A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板：由于計算機只能處理數(shù)

　　字信號，而天平各分量的輸出信號是模擬信號，因

　　此須先用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板將天平輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方能由計算機對采集的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　計算機：通過已有程序軟件對試驗?zāi)Ｐ偷臏y力進(jìn)行過程控制、數(shù)據(jù)采集和后處理。 模型煙線流動顯示、表面油流顯示原理參見附錄1、2。

　　四. 實驗步驟：

　　1） 將實驗?zāi)Ｐ桶惭b于測力天平上。對試驗?zāi)Ｐ妥鏊�平或垂直調(diào)整。將模型的

　　攻角、側(cè)滑角分別調(diào)整為0角。

　　2） 檢查各有關(guān)設(shè)備之間的連線是否連接正確。

　　3） 打開計算機，然后是放大器及天平電源。

　　4） 通過計算機測力系統(tǒng)軟件檢測天平各分量的信號輸出值是否正常。通常未

　　篇二：風(fēng)洞試驗研究綜述

　　摘要：本文介紹了大氣邊界層風(fēng)洞的發(fā)展過程和模擬方法。大氣邊界層的模擬方法主要有主動模擬方法和被動模擬方法，前者包括多風(fēng)扇風(fēng)洞技術(shù)與振動尖塔技術(shù)，后者采用尖劈、粗糙元、擋板、格柵等裝置進(jìn)行模擬。被動模擬技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)、簡便，所以得到了廣泛采用。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；大氣邊界層；主動模擬；被動模擬.

　　Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layerin Wind

　　Tunnels

　　xude

　　Abstract：In this paper ,the simulation of atmospheric boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology.The methods of atmospheric boundary layer simulation contain activesimulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiplefans wind tunnel technology and vibratile spire

　　technology. The equipments of thepassive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. Thepassive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used.

　　Key words：wind tunnel; atmospheric boundary layer; active simulation; passivesimulation.

　　一、引言

　　1940年，美國塔科馬懸索橋由于風(fēng)致振動而破壞的風(fēng)毀事故,首次使科學(xué)家和工程師們認(rèn)識到了風(fēng)的動力作用的巨大威力[1]。在此之前， 1879年發(fā)生了蘇格蘭泰橋的風(fēng)毀事故已經(jīng)使工程師們認(rèn)識到風(fēng)的靜力作用。塔科馬橋的風(fēng)毀開始了土木工程界考慮橋梁風(fēng)致振動的新時期，并以此為起點, 發(fā)展成為了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)。

　　結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法可分為現(xiàn)場測試、風(fēng)洞試驗和理論計算三種。

　　現(xiàn)場測試方法是一種有效的驗證理論計算和風(fēng)洞試驗方法和結(jié)構(gòu)的手段；然而，現(xiàn)場測試需要花費巨大，試驗環(huán)境條件很難人為控制和改變。與現(xiàn)場測試方法相比，風(fēng)洞試驗兼具直觀性和節(jié)約的優(yōu)點，同時可以上人為地控制、調(diào)節(jié)和重復(fù)一些試驗條件，是一種很好的研究結(jié)構(gòu)風(fēng)工程現(xiàn)象的變參數(shù)影響和機理的手段。近些年來隨著流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)逐漸成為風(fēng)工程研究中越來越重要的工具。然而，由于風(fēng)工程問題的復(fù)雜性，要深入了解由于空氣流動所引起的許多復(fù)雜作用，風(fēng)洞試驗仍然是起著非常重要的作用。

　　在整個50 年代和60 年代初，建筑物和橋梁風(fēng)洞試驗都是在為研究飛行器空氣動力學(xué)性能而建的“航空風(fēng)洞”的均勻流場中進(jìn)行，而試驗結(jié)果往往被發(fā)現(xiàn)與實地觀測結(jié)果不一致，原因顯然在于風(fēng)洞中的均勻氣流與實際自然風(fēng)的紊流之間所存在明顯差別。1950 年代末，丹麥的杰森對風(fēng)洞模擬相似率問題作了重要的闡述，認(rèn)為必須模擬大氣邊界層氣流的特性。

　　1965 年，加拿大西安大略大學(xué)建成了世界上第一個大氣邊界層風(fēng)洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風(fēng)的一些重要紊流特性的風(fēng)洞。緊接著，在美國的科羅拉多州立大學(xué)，舍馬克教授也負(fù)責(zé)建造了一個大氣邊界層風(fēng)洞，并首次用被動模擬方法對大氣邊界層的風(fēng)特性進(jìn)行了模擬，使結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗進(jìn)入了精細(xì)化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究。

　　在早期的風(fēng)洞中,大氣邊界層主要研究大氣剪切流場的模擬.而在近期,除注意剪切流場的模擬外,已認(rèn)識到流場湍流結(jié)構(gòu)特性模擬的重要性,特別對大跨橋梁、高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)載和風(fēng)振試驗有十分重要的意義.

　　二、大氣邊界層風(fēng)洞簡介

　　2.1風(fēng)洞試驗的概念

　　風(fēng)洞是指一個按一定要求設(shè)計的、具有動力裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統(tǒng)[2]。雖然實際風(fēng)洞有多種多樣的形式，以適應(yīng)不同的研究要求，但是從流動方式來看，總體上可劃分為兩個基本類型：即閉口回流式風(fēng)洞和開口直流式風(fēng)洞。而從風(fēng)洞試驗段的構(gòu)造來看又有封閉式和敞開式之分。

　　圖1.閉口回流式風(fēng)洞

　　風(fēng)洞試驗?zāi)壳笆墙Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最主要的方法。借鑒航空領(lǐng)域的技術(shù)和方法，風(fēng)洞試驗在土木工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究中發(fā)揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結(jié)構(gòu)的模型試驗和航天航空器的模型試驗有很多不同之處。前者外形非常復(fù)雜，而后者則相對簡單；前者處在高湍流的近地風(fēng)場中且風(fēng)場變化類型多，而和后者相關(guān)的流動則是低紊流流動；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導(dǎo)致雷諾數(shù)模擬的難度比后者更加突出；前者處在低速流動中，不需要考慮流體的壓縮性，而后者則需考慮流動的壓縮效應(yīng)，等等。

　　相對于航空風(fēng)洞來說，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞一般都是風(fēng)速較低的低速風(fēng)洞，并且通常采用封閉式試驗段。為了能在風(fēng)洞中對建筑結(jié)構(gòu)所處的大氣邊界層風(fēng)場進(jìn)行合理的模擬，其試驗段長度一般較大，因此，也被稱為邊界層風(fēng)洞。

　　早在1894年丹麥人J.O.V. Irminger在風(fēng)洞中測量建筑物模型的表面風(fēng)壓，然而直到1931年為了確定帝國大廈的設(shè)計風(fēng)荷載，研究人員利用航空風(fēng)洞進(jìn)行了專門的模型風(fēng)試驗，風(fēng)洞試驗才成為研究結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的重要手段。

　　1940年美國舊塔科馬海峽大橋發(fā)生風(fēng)振坍塌事故后，人們才開始逐步研究并認(rèn)識風(fēng)對結(jié)構(gòu)的動力作用。1950年，為了探究塔科馬海峽橋的風(fēng)毀事故的確切原因，美國華盛頓州立大學(xué)的法庫哈森教授通過全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗，成功地重現(xiàn)了塔科瑪海峽大橋的顫振風(fēng)毀現(xiàn)象，并對對橋梁的風(fēng)振振動進(jìn)行了研究，這也是第一次結(jié)構(gòu)氣彈模型試驗。結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗開始成為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和檢驗的'重要手段而得到普遍發(fā)展，

　　許多學(xué)者把研究機翼顫振的風(fēng)洞試驗方法引用到了橋梁的

　　顫振研究，取得了一定的成果。

　　1950 年代末，丹麥的杰森提出了建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，在達(dá)文波特負(fù)責(zé)下，加拿大西安大略大學(xué)建成了第一個大氣邊界層風(fēng)洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風(fēng)的一些重要紊流特性的風(fēng)洞。隨后，在美國建成了第一個用被動模擬方法對大氣邊界層風(fēng)特性進(jìn)行了模擬的結(jié)構(gòu)風(fēng)洞，使結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗進(jìn)入了精細(xì)化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究。

　　2.2大氣邊界層的概念

　　按照大氣運動的動力學(xué)性質(zhì)可以將對流層中的大氣沿垂直方向粗略地分為上部自由大氣層和下部的大氣行星邊界層。受粗糙地表的摩擦而引起的阻滯作用的影響，大氣邊界層中的氣流在近地表處的速度明顯減慢，并在地表處降為零。而由于相鄰氣層之間的紊流摻混使得這種地表阻滯或摩擦的影響可擴(kuò)展到整個大氣邊界層，并在沿高度方向各氣層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。嚴(yán)格地講，大氣邊界層的高度可達(dá)1~1.5km，在此范圍內(nèi)，風(fēng)速是隨高度的變化而變化。再往上就是自由大氣層，地表摩擦力對大氣運動的影響可以忽略，氣層之間的剪切應(yīng)力基本等于零。在自由大氣層中，無加速的空氣相對于地表的水平運動可以通過氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力之間的平衡來確定，風(fēng)向與等壓線保持一致，風(fēng)速與高度無關(guān)。

　　圖3.對流層結(jié)構(gòu)示意圖  圖4.大氣邊界層中的風(fēng)速螺旋線

　　大氣流體動力學(xué)中，把氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力到達(dá)平衡的、與高度無關(guān)的定常風(fēng)速稱為梯度風(fēng)速，常用UG 表示，邊界層高度也因此而常被稱為梯度風(fēng)高度。當(dāng)所關(guān)心的區(qū)域遠(yuǎn)離氣象系統(tǒng)中的低壓或高壓區(qū)時，

　　等壓線的半徑

　　很大，曲率很小，可近似為直線，此時可忽略作用在空氣微團(tuán)的離心力，與高度無關(guān)的定常風(fēng)速由氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的平衡條件確定，成為地轉(zhuǎn)風(fēng)速。

　　在大氣邊界層中，由于粗糙地表產(chǎn)生的摩擦力的影響，風(fēng)向與等壓線成一定的夾角。隨著高度的增加，地面摩擦效應(yīng)的影響逐漸降低，這種夾角也越來越小，在梯度風(fēng)高度處，夾角降為零，風(fēng)向與等壓線一致。大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向隨高度的這種變化規(guī)律可用如圖5.3所示的螺線來描繪，從地面至邊界層高度頂，風(fēng)向角的變化約為20°。由于土木工程結(jié)構(gòu)均建在大氣邊界層中，因此大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計者最為關(guān)心的。

　　三、大氣邊界層的風(fēng)特性

　　風(fēng)特性研究是風(fēng)工程的基礎(chǔ)工作。過去, 關(guān)于風(fēng)的資料主要來源于各氣象站約10米高風(fēng)標(biāo)上所安裝的旋轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速儀。這種于1846 年發(fā)明的風(fēng)速儀至今還在使用, 但由于儀器的慣性大, 它所測量的是有一定時距的平均風(fēng)。近50 年來, 測風(fēng)儀器有了巨大的進(jìn)步, 從較靈敏的螺旋槳式風(fēng)速儀發(fā)展到激光、超聲以及微波風(fēng)速儀, 可用來測量空氣的微小瞬時運動。

　　經(jīng)過長期的現(xiàn)場實測，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的疊加；平均風(fēng)速沿高度可用對數(shù)律或冪函數(shù)來描述，而脈動風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動風(fēng)速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。其他風(fēng)特性參數(shù)，例如陣風(fēng)因子、摩阻速度以及空間相關(guān)函數(shù)等可以認(rèn)為是這些關(guān)鍵特性的延拓和補充。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上，給出了這些特征量的推薦值和推薦公式。

　　盡管人們在強風(fēng)分布及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實測方面做了很多努力，但是，由于強風(fēng)分布特性現(xiàn)場實測的費用大、周期長、難度大，人們對近地風(fēng)特性的認(rèn)識還遠(yuǎn)不清楚。目前國際上常用的幾種脈動風(fēng)速功率譜值（Davenport 譜, Kaimal譜和Karman 譜等）在某些重要頻段內(nèi)相差很大，甚至以倍計。脈動風(fēng)速相干函數(shù)指數(shù)的推薦范圍上下限的不同取值可能造成結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算值的成倍差別。臺風(fēng)的平均風(fēng)剖面和紊流結(jié)構(gòu)及登陸后的衰減特性如何？此外，人們對特殊地形（包括我國西部地區(qū)復(fù)雜地形）的強風(fēng)分布特性的理解也還甚淺。風(fēng)參數(shù)的不確定性是影響結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計精度最重要的因素。

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