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空气动力学实验方法：流动可视化与误差分析控制教程

1空气动力学实验基础

1.1实验设备与设置

在空气动力学实验中，设备的选择和设置至关重要，直接影响实验结果的

准确性和可靠性。主要设备包括：

风洞：提供稳定的气流环境，是空气动力学实验的核心设备。风

洞可以分为低速、高速、超音速和高超音速等类型，根据实验需求选择。

模型：实验中使用的物体模型，其几何形状和尺寸需精确反映实

际物体的特征。

测量系统：包括压力传感器、热电偶、激光多普勒测速仪（LDA）、

粒子图像测速仪（PIV）等，用于采集实验数据。

数据采集系统：如数据采集卡、计算机等，用于记录和存储测量

数据。

1.1.1设置流程

1.模型安装：确保模型在风洞中的位置准确，避免任何偏移或倾斜。

2.校准测量系统：在实验前对所有测量设备进行校准，确保数据的

准确性。

3.气流调节：调整风洞的气流速度和方向，使其符合实验要求。

4.数据采集准备：设置数据采集系统的参数，如采样频率、数据存

储路径等。

1.2流动可视化技术简介

流动可视化技术在空气动力学实验中用于直观展示流体的运动特性，帮助

研究人员理解流体动力学现象。主要技术包括：

烟雾流线：通过在气流中释放烟雾，观察烟雾的流动路径，从而

分析气流的分布。

油膜流动：在模型表面涂上一层薄油，气流经过时油膜的流动痕

迹可以揭示流体的附面层特性。

激光多普勒测速仪（LDA）：利用激光照射流体中的粒子，通过多

普勒效应测量粒子的速度，进而分析流场。

粒子图像测速仪（PIV）：通过在流体中喷射粒子并用高速相机拍

摄粒子的运动，计算粒子位移，从而得到流场的速度分布。

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1.2.1示例：粒子图像测速仪（PIV）数据处理

假设我们从PIV实验中获取了一组粒子位移数据，现在需要计算平均速度

和速度标准差。

importnumpyasnp

#示例数据：粒子位移（单位：像素）

displacements=np.array([

[10,15,12,14,13],

[11,16,13,15,14],

[9,14,11,13,12],

[12,17,14,16,15],

[10,15,12,14,13]

])

#计算平均速度

average_velocity=np.mean(displacements,axis=0)

#计算速度标准差

velocity_std_dev=np.std(displacements,axis=0)

print(平均速度:,average_velocity)

print(速度标准差:,velocity_std_dev)

此代码示例中，我们首先导入了numpy库，用于数据处理。然后定义了一

个二维数组displacements，代表从PIV实验中获取的粒子位移数据。通过

numpy的mean和std函数，我们计算了每一列（即流场中不同位置）的平均

速度和速度标准差。

1.3数据采集与处理

数据采集是实验过程中的关键步骤，而数据处理则用于分析和解释实验结

果。在空气动力学实验中，数据采集通常涉及：

压力数据：通过压力传感器测量模型表面或流场中的压力分布。

温度数据：使用热电偶等设备测量流体的温度。

速度数据：利用LDA或PIV技术测量流体的速度。

1.3.1数据处理步骤

1.数据清洗：去除异常值和噪声，确保数据质量。

2.数据转换：将原始数据转换为便于分析的格式，如将压力数据转

换为压力系数。

3.数据分析：使用统计方法或流体力学理论分析数据，提取关键信

息。

4.结果可视化：通过图表或动画展示分析结果，便于理解