【摘 要】
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粘性摩擦阻力是运载工具的重要阻力来源之一,降低摩阻具有非常重要的意义。壁面切应力分布决定了摩阻的大小,它的测量一直是实验流体力学研究的一个难点。现有的技术难以形成稳定、抗干扰能力强、易于运载工具使用的测量工具。针对现有测量方法的局限性,本文提出了一种基于双层“三明治”热膜传感器的免标定壁面切应力测量方法。该方法使用两个相同大小的金属镍膜形成双层热膜结构。通过开尔文恒温电桥精确设定两个金属膜在相同的
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粘性摩擦阻力是运载工具的重要阻力来源之一,降低摩阻具有非常重要的意义。壁面切应力分布决定了摩阻的大小,它的测量一直是实验流体力学研究的一个难点。现有的技术难以形成稳定、抗干扰能力强、易于运载工具使用的测量工具。针对现有测量方法的局限性,本文提出了一种基于双层“三明治”热膜传感器的免标定壁面切应力测量方法。该方法使用两个相同大小的金属镍膜形成双层热膜结构。通过开尔文恒温电桥精确设定两个金属膜在相同的温度下工作,下层热膜隔绝了上层热膜向壁面的传热,保证其发出的焦耳热绝大部分传给流体。该技术极大的提升了热膜传感器的测量稳定性及敏感度,解决了热膜传感器标定结果不唯一（"non-unique calibration",Naughton与Sheplak,Prog Aero Sci,38:515-570,2002）的问题。本文对浸没在湍流边界层下的一个微小恒温单元的对流换热展开分析。基于热边界层内多项式速度分布假设,形成了描述换热强度与壁面切应力之间关系的新的理论模型。该模型涵盖了切应力偏角对换热强度的影响。根据该模型,本文提出了免标定的壁面切应力矢量测量方法。该方法不需要标定传感器,可通过热膜的焦耳热直接计算切应力大小及方向。本文开展了一系列实验研究验证了理论模型与关键技术。实验结果证实了理论的正确性及方法的实用性,并明确了方法的使用范围。最后,为了使免标定的壁面切应力方法应用于水下潜航器,本文利用真空蒸镀沉降技术在传感器表面附着一层纳米级厚度的派瑞林（对二甲苯聚合物）绝缘镀层,保护其在水下免受电化学作用的腐蚀。本文发展了镀层内部传热模型,并形成了有镀层传感器的免标定测量方法。实验证明了该方法的可行性。
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