[科普中国]-液晶法

简介

液晶法是利用液晶颜色随温度而改变的特性来识别层流、湍流边界层和激波。液晶是一种油状有机物,温度较低时，无色透明,随着温度上升，便以红、黄、绿、蓝、无色的顺序改变，能鉴别有微小温差的层流和湍流边界层流动以及激波前后的温差。它适用于高速和超声速流态观察。液晶的涂法与漆类似，先稀释，再喷涂。液晶对污物杂质敏感，喷涂时，模型表面必须干净。

液晶某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后，尽管失去固态物质的刚性，却获得了液体的易流动性，并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态，[1]这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。现在定义放宽，囊括了在某一温度范围可以是显液晶相，在较低温度为正常结晶的物质。例如，液晶可以像液体一样流动（流动性），但它的分子却是像道路一样取向有序的（各向异性）。有许多不同类型的液晶相，这可以通过其不同的光学性质（如双折射现象）来区分。当使用偏振光光源，在显微镜下观察时，不同的液晶相将出现具有不同的纹理。在纹理对比区域不同的纹理对应于不同的液晶分子。然而，所述分子是具有较好的取向有序的。而液晶材料可能不总是在液晶相（正如水可变成冰或水蒸汽）。

液晶可分为热致液晶、溶致液晶。热致液晶是指由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶。通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。典型的长棒形热致液晶的分子量一般在200~500g/mol左右。溶致液晶：是一种包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶。是在溶液中溶质分子浓度处于一定范围内时出现液晶相。它的溶剂主要是水或其它极性分子液剂。这种液晶中引起分子排列长程有序的主要原因是溶质与溶剂分子之间的相互作用，而溶质分子之间的相互作用是次要的。溶致液晶是一种包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶。1

炮风洞液晶测热系统热色液晶热色液晶(Thermochromic liduid crystal，简称TLC)是一种随着温度变化而迅速改变其反射光颜色的胆凿相液晶。反射光颜色改变，液晶也随着改变颜色。事实上，热色液晶是有选择的反射可见光。所反射的可见光的波长决定于液晶随温度变化特殊的分子结构。随着温度升高，液晶从无色变为红色，然后为桔黄、黄色、绿色、蓝色和紫色，最后再变为无色。利用这一特点，我们可以定性地确定喷涂有液晶材料的模型表面温度。如果把其反射的可见光信息进行量化，就可以定量的确定相应的温度值。

热色液晶静态校侧系统静态校测系统是在静态条件下，模拟风洞实验条件，包括照明、数码相机状态和液晶涂层等，对液晶校测板缓慢加热，用数码相机和铂电阻温度计获得颜色和温度数据，根据一定的色彩理论建立颜色和温度之间的对应关系，获得液晶的静态校测曲线，即Hue一T曲线。

这套系统包括加热板、校测板(喷涂了液晶的有机玻璃板)、铂电阻温度计、照明装置、数码相机和RGB读取软件，如图所示。2

其他观察方法风洞中流态观察方法大致为分两类:第一类是示踪方法;第二类是光学方法。

示踪方法在流场中添加物质，如有色液体、烟、丝线和固体粒子等，通过照相或肉眼观察添加物随流体运动的图形。只要添加物足够小，而且比重和流动介质接近，显示出来的添加物运动的图形就表示出气流的运动。这是一种间接显示法，特别适合于显示定常流动。常用的除液晶法外，还有烟流法、油流法、丝线法、蒸汽屏法和升华法等5种:

①烟流法 用风洞中特制烟管或模型上放出的烟流显示气体绕模型的流动图形。这是一种很好的观测方法。世界各国建设了不少烟风洞。通常是在风洞外把不易点燃的矿物油用金属丝通电加热而产生的烟引入风洞;也有将涂有油的不锈钢或钨丝放在模型前，实验时通电将钨丝加热,产生细密的烟雾。为了保证烟束清晰不散,必须采用大收缩比的收缩段、稳定段或风洞入口加装抗湍流网和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，保持烟流为层流状态。烟流法除用于观察绕模型的流动，还可用来测量边界层过渡点位置和研究涡流结构。

②油流法 在粘性的油中掺进适量指示剂(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊状液态物，均匀地涂在模型表面。实验时通过指示剂颗粒沿流向形成的纹理结构，显示出模型表面的流动图形。如果油中加入少量荧光染料，则在紫外线照射下可以显现出荧光条纹图，称为荧光油流图。它可以显示模型表面气流流动方向、边界层过渡点位置、气流分离区、激波与边界层相互干扰等流动现象。

③丝线法 将丝线、羊毛等纤维粘贴在要观察的模型表面或模型后的网格上,由丝线的运动(丝线转动、抖动或倒转) 可以判明气流的方向和分离区的位置以及空间涡的位置、转向等。现在又发展到用比丝线更细的尼龙丝，有时细到连肉眼都看不清。将尼龙丝用荧光染料处理后再粘在模型上。这种丝线在紫外线照射下显示出来，并且可以拍摄下来。粘丝很细，对模型没有影响，可同时进行测力实验。此法称为荧光丝线法。

④蒸汽屏法 在风洞中形成过饱和的蒸汽，在需要观察的截面，垂直气流方向射入一道平行光，气流经过光面时，由于离心力的作用，旋涡内外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能显示出涡核的位置。此法多用来观察大攻角脱体涡的位置。

⑤升华法试验时，将挥发性的液体或容易升华的固体喷涂在模型表面，依据涂料从模型上散失的速度与边界层状态有关的原理(在湍流边界层内由于气流的不规则运动导致该处蒸发量或升华量大于层流处)来区分边界层状态，确定过渡点的位置。

光学方法根据光束在气体中的折射率随气流密度不同而改变的原理制造出来的光学仪器，如阴影仪、纹影仪、干涉仪(见风洞测试仪器)和全息照相装置等，都可用来观察气体流动图形。这种方法不在流场中添加其他物质，不会干扰气体流动，而且可以在短时间内采集大量的空间数据。它是一种直接显示方法，特别适合于观察可压缩流动和非定常流动，如激波、尾流和边界层过渡等。