气动中心提出新型壁面切应力光学测量方法：基于腔内粘性液体表面变形的非接触式探测

近日，中国空气动力研究与发展中心Xinhai Zhao, Wanbo Wang, Chen Qin, Jiaxin Pan 和 Qiqiang Sun在流体力学实验领域权威期刊《Experiments in Fluids》上发表了题为《Wall shear stress measurement by detecting viscous liquid surface deformation in a cavity in incompressible flow》的研究论文。该研究创新性地提出了一种基于光学探测腔内粘性液体表面变形的单点壁面切应力测量方法，为飞行器表面摩擦阻力的精细化测量提供了新思路与技术手段。

壁面切应力（又称摩阻）是飞行器阻力的主要来源之一，准确测量其对气动设计与减阻优化至关重要。传统测量方法多为接触式或依赖于复杂系统。本论文提出的“腔体粘性流体变形”（CVFD）方法，通过在平板表面开设圆柱形腔体并注入高粘度环氧树脂，利用外部流动作用下液体表面的稳定变形来反演上游壁面切应力。研究表明，腔内液体变形主要由来流边界层内层的动压驱动，与壁面切应力存在幂律关系。团队利用背景纹影（BOS）技术非接触式捕捉液体表面因变形导致的光线偏转角，并结合热线风速仪标定流速剖面，成功建立了偏转角与壁面切应力之间的定量关系。该方法具有稳定性好、可重复使用、系统简单、成本较低等优点。

在低速风洞实验中，研究人员使用该方法与经典的热线风速仪进行了对比验证，结果吻合良好。实验表明，该方法不仅测量精度满足要求，而且具有装置简单、成本低廉、可重复使用等优点。特别是在不同风速条件下，腔内液体形变表现出良好的稳定性和可逆性，就像弹簧一样能够随气流变化而灵活响应。论文特别关注了该技术的实用性问题。研究发现，液体黏度对测量稳定性影响显著，经过反复试验，最终选用了约11000厘泊的环氧树脂作为填充材料。此外，在常规实验室温度变化范围内，该方法表现出了较好的稳定性，但在更极端的温度环境下仍需进一步研究优化。

这项被称为“腔体黏性流体形变法”的新技术，为壁面切应力测量提供了一种全新的思路。其简单的实验装置和可靠的测量结果，使得它不仅在专业风洞实验中具有应用价值，也有望在教学演示和工业检测等领域发挥作用。随着进一步的研究完善，这项技术或将成为流体力学测量工具箱中的重要新成员。

实验中所采用的热线风速仪为航华CTA04 Pro系统。该系统为流速剖面的精确测量提供了可靠保障，确保了壁面切应力标定数据的准确性，再次体现了国产流体测量仪器在科研创新中的关键支撑作用。

[1] ZHAO X, WANG W, QIN C et al. Wall shear stress measurement by detecting viscous liquid surface deformation in a cavity in incompressible flow[J/OL]. Experiments in Fluids, 2025, 66(9): 1–15. https://doi.org/10.1007/s00348-025-04100-2. DOI:10.1007/s00348-025-04100-2.