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大學(xué)生物理實(shí)驗報告
篇一：風(fēng)洞試驗綜合
一. 風(fēng)洞試驗簡(jiǎn)述：
實(shí)驗空氣動(dòng)力學(xué)是空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，是用實(shí)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(dòng)時(shí)的氣動(dòng)特性、運動(dòng)規律和各種復雜物理現象。由于是直接研究物體與真實(shí)氣流間的相互作用，所得數據可以用作工程設計的依據，驗證理論計算結果并能揭示新的流動(dòng)現象，為理論分析提供物理模型。
實(shí)驗空氣動(dòng)力學(xué)作為一門(mén)分支學(xué)科是20世紀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雜、精確、可靠的設計數據有關(guān)。它的主要內容除空氣動(dòng)力學(xué)基礎理論外，還包括實(shí)驗理論、實(shí)驗方法和實(shí)驗設備的知識。
實(shí)驗空氣動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)是利用風(fēng)洞進(jìn)行模型實(shí)驗，以發(fā)現和確認流動(dòng)現象、探索和揭示流動(dòng)機理、尋求和了解流動(dòng)規律，并為飛行器提供優(yōu)良氣動(dòng)布局和空氣動(dòng)力特性數據，風(fēng)洞實(shí)驗所依據的基本理論是相對運動(dòng)原理和相似理論。
相對運動(dòng)原理：無(wú)論是固體以某一均勻速度在靜止的流體中運動(dòng)，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：論述物理現象相似的條件和相似現象的性質(zhì)的學(xué)說(shuō)。是模擬的理論基礎。相似理論的重要課題是確定各種物理現象的相似準數。
風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗的一種主要設備，幾乎絕大多數的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗都在各種類(lèi)型的風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞的工作原理是使用動(dòng)力裝置在一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計的管道內驅動(dòng)一股可控氣流，使其流過(guò)安置在實(shí)驗段的靜止模型，模擬實(shí)物在靜止空氣中的運動(dòng)。測量作用在模型上的空氣動(dòng)力，觀(guān)測模型表面及周?chē)牧鲃?dòng)現象。根據相似理論將實(shí)驗結果整理成可用于實(shí)物的相似準數。實(shí)驗段是風(fēng)洞的中心部件，實(shí)驗段流場(chǎng)應模擬真實(shí)流場(chǎng)，其氣流品質(zhì)如均勻度、穩定度（指參數隨時(shí)間變化的情況）、湍流度等，應達到一定指標。
風(fēng)洞實(shí)驗的主要優(yōu)點(diǎn)是：
�、� 實(shí)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(dòng)參數可各自獨立變化。
�、� 模型靜止，測量方便而且容易準確。
�、� 一般不受大氣環(huán)境變化的影響 。
�、� 與其他空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗手段相比，價(jià)廉、可靠等。
缺點(diǎn)是難以滿(mǎn)足全部相似準數相等，存在洞壁和模型支架干擾等，但可通過(guò)數據修正方法部分或大部分克服。
風(fēng)洞實(shí)驗的主要常規試驗有測力試驗、測壓試驗和流態(tài)觀(guān)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(gè)機翼等）的氣動(dòng)力及表面壓強分布，多用于為飛行器設計提供氣動(dòng)特性數據。流態(tài)觀(guān)測試驗廣泛用于研究流動(dòng)的基本現象和機理。
二. 實(shí)驗內容：
1. 根據風(fēng)洞實(shí)驗段尺寸和實(shí)驗項目要求完成實(shí)驗模型的結構和模型支撐結構的設計。
2. 編寫(xiě)模型測力和流動(dòng)顯示實(shí)驗大綱（或實(shí)驗任務(wù)書(shū)）。
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(dòng)力；對模型做重復性試驗。
4. 對測力模型做流動(dòng)顯示實(shí)驗（分別做模型煙流顯示實(shí)驗和油流顯示實(shí)驗）
三. 實(shí)驗儀器及設備：
D1低速風(fēng)洞主要組成部分為實(shí)驗段、擴壓段、拐角和導流片、穩定段、收縮段以及動(dòng)力段。實(shí)驗段截面為橢圓面，其入口長(cháng)軸為102cm，短軸為76cm，出口處長(cháng)軸為107cm，短軸為81cm；實(shí)驗段全長(cháng)1.45m；實(shí)驗段的最大流速為50m/s；紊流度為0.3%；實(shí)驗段模型安裝區內，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(wú)級調速；配置有尾撐式—機構及內式六分量應變天平。由信號放大器（GDA—10），A/D模數轉換數據采集板和計算機構成測力天平信號數據采集系統。
實(shí)驗原理：
當物體以某一速度在靜止的空氣中運動(dòng)時(shí)，氣流對物體的作用與同一速度的氣流流過(guò)靜止物體時(shí)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(dòng)力作用的管道設備。
六分量應變天平：是一種專(zhuān)用的測力傳感器。用于測量作用在模型上的空氣動(dòng)力的大小。該天平能測量升力、阻力、側力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉力矩。它由應變片、彈性元件、天平體和一些附件組成。應變天平是一種將機械量轉變?yōu)殡娏枯敵龅膶?zhuān)用設備。它是運用位移測量原理，利用天平的變形來(lái)測量外力大小。將應變片貼在天平彈性元件上，彈性元件上的應變與外力大小成比例，應變片連接組成測量電橋，接入測量線(xiàn)路中，即可測出力的大小。應變天平在測量過(guò)程中的參量變化過(guò)程如下：
PRUV
其中：
P—天平彈性元件上承受的氣動(dòng)力。
—在氣動(dòng)力P的作用下彈性元件上的應變。
R—貼在彈性元件上的應變片在彈性元件產(chǎn)生應變的情況下產(chǎn)生的電阻增量。
U—由應變片產(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增量（V）。
右下圖為一六分量應變天平測量電橋示意圖。圖中標有號碼處為粘貼有電阻應變片的天平元件。例如號碼1、2、3、4為天平升力元件的四個(gè)電阻阻值相等的應變片，它們構成了一個(gè)全橋電路。當天平升力元件
受載后，在電橋AC端將會(huì )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(lái)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模數轉換數據采集板：由于計算機只能處理數
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模數轉換數據采集板將天平輸出的模擬信號轉換成數字信號，方能由計算機對采集的信號數據進(jìn)行處理。
計算機：通過(guò)已有程序軟件對試驗模型的測力進(jìn)行過(guò)程控制、數據采集和后處理。 模型煙線(xiàn)流動(dòng)顯示、表面油流顯示原理參見(jiàn)附錄1、2。
四. 實(shí)驗步驟：
1） 將實(shí)驗模型安裝于測力天平上。對試驗模型做水平或垂直調整。將模型的
攻角、側滑角分別調整為0角。
2） 檢查各有關(guān)設備之間的連線(xiàn)是否連接正確。
3） 打開(kāi)計算機，然后是放大器及天平電源。
4） 通過(guò)計算機測力系統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(guò)程和模擬方法。大氣邊界層的模擬方法主要有主動(dòng)模擬方法和被動(dòng)模擬方法，前者包括多風(fēng)扇風(fēng)洞技術(shù)與振動(dòng)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(dòng)模擬技術(shù)較為經(jīng)濟、簡(jiǎn)便，所以得到了廣泛采用。
關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；大氣邊界層；主動(dòng)模擬；被動(dòng)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(dòng)而破壞的風(fēng)毀事故,首次使科學(xué)家和工程師們認識到了風(fēng)的動(dòng)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)使工程師們認識到風(fēng)的靜力作用。塔科馬橋的風(fēng)毀開(kāi)始了土木工程界考慮橋梁風(fēng)致振動(dòng)的新時(shí)期，并以此為起點(diǎn), 發(fā)展成為了現代結構風(fēng)工程學(xué)。
結構風(fēng)工程研究方法可分為現場(chǎng)測試、風(fēng)洞試驗和理論計算三種。
現場(chǎng)測試方法是一種有效的驗證理論計算和風(fēng)洞試驗方法和結構的手段；然而，現場(chǎng)測試需要花費巨大，試驗環(huán)境條件很難人為控制和改變。與現場(chǎng)測試方法相比，風(fēng)洞試驗兼具直觀(guān)性和節約的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以上人為地控制、調節和重復一些試驗條件，是一種很好的研究結構風(fēng)工程現象的變參數影響和機理的手段。近些年來(lái)隨著(zhù)流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動(dòng)力學(xué)逐漸成為風(fēng)工程研究中越來(lái)越重要的工具。然而，由于風(fēng)工程問(wèn)題的復雜性，要深入了解由于空氣流動(dòng)所引起的許多復雜作用，風(fēng)洞試驗仍然是起著(zhù)非常重要的作用。
在整個(gè)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(dòng)力學(xué)性能而建的“航空風(fēng)洞”的均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，而試驗結果往往被發(fā)現與實(shí)地觀(guān)測結果不一致，原因顯然在于風(fēng)洞中的均勻氣流與實(shí)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(wèn)題作了重要的闡述，認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(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，即具有較長(cháng)試驗段、能夠模擬大氣邊界層內自然風(fēng)的一些重要紊流特性的風(fēng)洞。緊接著(zhù)，在美國的科羅拉多州立大學(xué)，舍馬克教授也負責建造了一個(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，并首次用被動(dòng)模擬方法對大氣邊界層的風(fēng)特性進(jìn)行了模擬，使結構抗風(fēng)試驗進(jìn)入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結構風(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(chǎng)的模擬.而在近期,除注意剪切流場(chǎng)的模擬外,已認識到流場(chǎng)湍流結構特性模擬的重要性,特別對大跨橋梁、高層建筑和高聳結構的風(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(jiǎn)介
2.1風(fēng)洞試驗的概念
風(fēng)洞是指一個(gè)按一定要求設計的、具有動(dòng)力裝置的、用于各種氣動(dòng)力試驗的可控氣流管道系統[2]。雖然實(shí)際風(fēng)洞有多種多樣的形式，以適應不同的研究要求，但是從流動(dòng)方式來(lái)看，總體上可劃分為兩個(gè)基本類(lèi)型：即閉口回流式風(fēng)洞和開(kāi)口直流式風(fēng)洞。而從風(fēng)洞試驗段的構造來(lái)看又有封閉式和敞開(kāi)式之分。
圖1.閉口回流式風(fēng)洞
風(fēng)洞試驗目前是結構抗風(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構的抗風(fēng)研究中發(fā)揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結構的模型試驗和航天航空器的模型試驗有很多不同之處。前者外形非常復雜，而后者則相對簡(jiǎn)單；前者處在高湍流的近地風(fēng)場(chǎng)中且風(fēng)場(chǎng)變化類(lèi)型多，而和后者相關(guān)的流動(dòng)則是低紊流流動(dòng)；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導致雷諾數模擬的難度比后者更加突出；前者處在低速流動(dòng)中，不需要考慮流體的壓縮性，而后者則需考慮流動(dòng)的壓縮效應，等等。
相對于航空風(fēng)洞來(lái)說(shuō)，用于土木工程結構的風(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)洞中對建筑結構所處的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合理的模擬，其試驗段長(cháng)度一般較大，因此，也被稱(chēng)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計風(fēng)荷載，研究人員利用航空風(fēng)洞進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的模型風(fēng)試驗，風(fēng)洞試驗才成為研究結構風(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(kāi)始逐步研究并認識風(fēng)對結構的動(dòng)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(guò)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗，成功地重現了塔科瑪海峽大橋的顫振風(fēng)毀現象，并對對橋梁的風(fēng)振振動(dòng)進(jìn)行了研究，這也是第一次結構氣彈模型試驗。結構風(fēng)洞試驗開(kāi)始成為結構抗風(fēng)設計和檢驗的'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構風(fēng)洞試驗必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，在達文波特負責下，加拿大西安大略大學(xué)建成了第一個(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，即具有較長(cháng)試驗段、能夠模擬大氣邊界層內自然風(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(gè)用被動(dòng)模擬方法對大氣邊界層風(fēng)特性進(jìn)行了模擬的結構風(fēng)洞，使結構抗風(fēng)試驗進(jìn)入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結構風(fēng)工程的研究。
2.2大氣邊界層的概念
按照大氣運動(dòng)的動(dòng)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展到整個(gè)大氣邊界層，并在沿高度方向各氣層之間產(chǎn)生剪切應力。嚴格地講，大氣邊界層的高度可達1~1.5km，在此范圍內，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(dòng)的影響可以忽略，氣層之間的剪切應力基本等于零。在自由大氣層中，無(wú)加速的空氣相對于地表的水平運動(dòng)可以通過(guò)氣壓梯度力、地轉偏向力和離心力之間的平衡來(lái)確定，風(fēng)向與等壓線(xiàn)保持一致，風(fēng)速與高度無(wú)關(guān)。
圖3.對流層結構示意圖 圖4.大氣邊界層中的風(fēng)速螺旋線(xiàn)
大氣流體動(dòng)力學(xué)中，把氣壓梯度力、地轉偏向力和離心力到達平衡的、與高度無(wú)關(guān)的定常風(fēng)速稱(chēng)為梯度風(fēng)速，常用UG 表示，邊界層高度也因此而常被稱(chēng)為梯度風(fēng)高度。當所關(guān)心的區域遠離氣象系統中的低壓或高壓區時(shí)，
等壓線(xiàn)的半徑
很大，曲率很小，可近似為直線(xiàn)，此時(shí)可忽略作用在空氣微團的離心力，與高度無(wú)關(guān)的定常風(fēng)速由氣壓梯度力和地轉偏向力的平衡條件確定，成為地轉風(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(xiàn)成一定的夾角。隨著(zhù)高度的增加，地面摩擦效應的影響逐漸降低，這種夾角也越來(lái)越小，在梯度風(fēng)高度處，夾角降為零，風(fēng)向與等壓線(xiàn)一致。大氣邊界層內風(fēng)速風(fēng)向隨高度的這種變化規律可用如圖5.3所示的螺線(xiàn)來(lái)描繪，從地面至邊界層高度頂，風(fēng)向角的變化約為20°。由于土木工程結構均建在大氣邊界層中，因此大氣邊界層內的風(fēng)特性是土木工程結構設計者最為關(guān)心的。
三、大氣邊界層的風(fēng)特性
風(fēng)特性研究是風(fēng)工程的基礎工作。過(guò)去, 關(guān)于風(fēng)的資料主要來(lái)源于各氣象站約10米高風(fēng)標上所安裝的旋轉杯式風(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(shí)距的平均風(fēng)。近50 年來(lái), 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(lái)測量空氣的微小瞬時(shí)運動(dòng)。
經(jīng)過(guò)長(cháng)期的現場(chǎng)實(shí)測，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的疊加；平均風(fēng)速沿高度可用對數律或冪函數來(lái)描述，而脈動(dòng)風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動(dòng)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，例如陣風(fēng)因子、摩阻速度以及空間相關(guān)函數等可以認為是這些關(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)分布及結構響應的實(shí)測方面做了很多努力，但是，由于強風(fēng)分布特性現場(chǎng)實(shí)測的費用大、周期長(cháng)、難度大，人們對近地風(fēng)特性的認識還遠不清楚。目前國際上常用的幾種脈動(dòng)風(fēng)速功率譜值（Davenport 譜, Kaimal譜和Karman 譜等）在某些重要頻段內相差很大，甚至以倍計。脈動(dòng)風(fēng)速相干函數指數的推薦范圍上下限的不同取值可能造成結構響應計算值的成倍差別。臺風(fēng)的平均風(fēng)剖面和紊流結構及登陸后的衰減特性如何？此外，人們對特殊地形（包括我國西部地區復雜地形）的強風(fēng)分布特性的理解也還甚淺。風(fēng)參數的不確定性是影響結構抗風(fēng)設計精度最重要的因素。
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