本发明涉及一种壁面台阶阻力评估试验装置及模拟方法，属于风洞试验。
背景技术：
1、台阶流动是经典的分离流动，也是工程中的常见流动形态。前台阶流动主要有三个主要的区域：台阶前的分离泡，台阶上方的回流区以及再附点以后的区域。在后台阶流动中，后台阶下游会产生类似平板剪切层的旋涡序列，上下壁会产生一系列旋涡，并随着流动不断产生、消散，这些复杂的涡结构就是后台阶流动的主要研究对象。
2、台阶结构能够产生明显的阻力。在超声速气流中，台阶的存在还会导致激波与边界层相互作用，这是超声速气流中造成阻力增加和压力损失的主要原因。飞行器所受的气动阻力主要由两部分组成，即压差阻力和摩擦阻力。压差阻力可以由壁面压力积分得到，但是摩擦阻力的测量相对来说比较困难。由于台阶尺寸较小，绕流受到壁面边界层影响明显，因此相对飞行器部件来说，台阶的阻力量值很小，目前常用的直接测量方式是应变天平，但是应变天平在测量量程、灵敏度、精准度方面还无法满足阻力小量值的测量需求，而非接触测量方式在光路布置、标定修正等方面有着较大的难度，技术复杂，技术应用上仍然不成熟。
3、因此，亟需提出一种新型的一种壁面台阶阻力评估试验装置及模拟方法，以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本发明提出了一种壁面台阶阻力评估试验装置及模拟方法，用于研究台阶高低、类型、安装位置等因素对气流流动特性、台阶阻力损失等气动特性的影响规律。本发明研发目的是为了解决台阶的阻力量值很小，应变天平在测量量程、灵敏度、精准度方面还无法满足阻力小量值的测量需求，而非接触测量方式在光路布置、标定修正等方面有着较大的难度的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
2、本发明的技术方案：
3、方案一、一种壁面台阶阻力评估试验装置，包括台阶、平板、支撑件和力传感器，在进口段的风洞喉道下游的一侧壁面上加工有空腔，空腔内设置有力传感器，平板通过支撑件安装于力传感器上，平板顶部设置有台阶，所述平板上表面与壁面齐平，且平板与壁面之间不接触。
4、优选的：所述平板四周与壁面之间留有缝隙h，缝隙h为0.3~0.5mm。
5、方案二、一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，是依托于方案一所述的一种壁面台阶阻力评估试验装置实现的，包括以下步骤：
6、s1，将平板的下表面连接支撑件，支撑件连接力传感器，并将力传感器和平板设置在空腔内；
7、s2，设计台阶几何参数，给定来流气动参数和台阶处当地边界层厚度δ，即按照平板湍流边界层厚度计算公式，计算预安装台阶处当地边界层厚度δ所需的边界层发展距离x；
8、s3，风洞启动，流场稳定后，通过力传感器采集无台阶安装时平板的轴向力；
9、将台阶安装在平板的后半部分，所述台阶的轴向长度不超过平板整体长度的一半；
10、所述台阶处当地边界层厚度δ从风洞喉道处起始，所需的边界层发展距离x由洞壁长度和台阶前缘的一段平板长度组成，即台阶前缘处当地雷诺数对应的边界层发展距离x；
11、在同样风洞流场条件下，将台阶安装在平板上，通过力传感器采集平板加上台阶的轴向力，即有台阶安装时平板的轴向力；
12、s4，计算有台阶安装时平板的轴向力和无台阶安装时平板的轴向力之间的差值，并通过数据修正，得到单位展向宽度的台阶自身阻力数据。
13、优选的：所述s2中的给定来流气动参数包括马赫数ma、总压p0和总温t0；
14、计算台阶在平板上的安装位置对应的边界层发展距离x处的当地雷诺数，如下式：
15、公式（1.1）
16、再根据平板湍流边界层厚度计算公式，求出当地雷诺数对应的边界层发展距离x，即为当地边界层厚度所需的长度，如下式：
17、 公式（1.2）。
18、优选的：所述台阶的湍流边界层在前缘处，在风洞喉道入口处贴转捩带实现。
19、优选的：所述s4中的数据修正的具体步骤如下：
20、s2.1，为了获得单位展向宽度的台阶自身阻力数据d，通过cfd流场计算，分别获得每个试验工况下，无台阶安装时平板的cfd 流场中无三维效应的轴向力计算值n1和无台阶安装时平板的cfd流场中有三维边界效应的轴向力计算值m1，以及有台阶安装时平板的cfd流场中无三维效应的轴向力计算值n2和有台阶安装时平板的cfd流场中有三维边界效应的轴向力计算值m2；
21、s2.2，根据无台阶安装时平板的cfd 流场中无三维效应的轴向力计算值n1和无台阶安装时平板的cfd流场中有三维边界效应的轴向力计算值m1，获得无台阶安装时平板的cfd流场中有三维边界效应的阻力影响量m3，m3=n1-m1；
22、s2.3，根据有台阶安装时平板的cfd 流场中无三维效应的轴向力计算值n2和有台阶安装时平板的cfd流场中有三维边界效应的轴向力计算值m2，获得有台阶安装时平板的有三维边界效应的阻力影响量m4，m4=n2-m2，进而获得cfd流场中无三维边界效应的台阶阻力与有台阶安装时平板的阻力比值λ，λ=（n2-n1）/n2；
23、s2.4，通过试验获得无台阶安装时平板的有三维边界效应的试验轴向力t1以及有台阶安装时平板的有三维边界效应的试验轴向力t2，由此得到试验中平板的无三维边界效应试验阻力t3，t3=t1-m3，以及试验中有台阶安装时平板的无三维边界效应的试验阻力t4，t4=t2-m4，
24、s2.5，通过试验调节无三维边界效应修正量k，可求得台阶无三维边界效应的阻力x，如下：
25、k=（t4-t3）/t4
26、kλ=x/（t2-m4）
27、得出：
28、x=λ[（t2-t1）-（m2-m1）+（n2-n1）]
29、最后获得单位展向宽度的台阶自身阻力数据d，d=x/w,其中w为台阶展向宽度，获得的单位展向宽度的台阶自身阻力数据d用于实际工程中台阶阻力大小的估算。
30、优选的：所述s3中通过力传感器采集平板的轴向力的试验方法如下：
31、s3.1，对风洞来流马赫数ma下开展无台阶安装的平板试验，在风洞喉道的进口前的风洞壁面展向贴转捩带，实现人工转捩；
32、s3.2，马赫数ma由安装在真空管路中的流量计进行调节，由风洞进口的沿程静压和大气压力计算马赫数ma并反馈给测控系统，直至调节到所需马赫数ma；
33、s3.3，在所需马赫数ma的流场建立后，通过红外热成像方法测量风洞进口边界层转捩情况，判断风洞壁面是否已完全转捩；
34、s3.4，通过piv技术测量台阶前缘区域速度场，用于确定此处边界层厚度；
35、s3.5，在所需马赫数ma的流场建立后，通过力传感器，测量无台阶安装时平板所受的轴向力；
36、s3.6，安装台阶在平板后，对风洞来流马赫数ma下开展有台阶安装时平板试验，在风洞喉道的进口前的风洞壁面展向贴转捩带，实现人工转捩，重复上述步骤s3.2-s3.5，获得台阶在平板上的轴向力。
37、本发明具有以下有益效果：
38、1.本发明可直接得到台阶等不同类型凸起物在湍流流动中的阻力大小，从而用于实际工程中台阶阻力大小的估算；
39、2.本发明可应用于低速、高速、超声速、高超声速等不同流速范围的台阶流动复杂工况，用于研究台阶高低、类型、安装位置等因素对气流流动特性、台阶阻力损失等气动特性的影响规律，适用性较广。
1.一种壁面台阶阻力评估试验装置，其特征在于：包括台阶（1）、平板（2）、支撑件（3）和力传感器（4），在进口段（8）的风洞喉道（7）下游的一侧壁面（6）上加工有空腔（5），空腔（5）内设置有力传感器（4），平板（2）通过支撑件（3）安装于力传感器（4）上，平板（2）顶部设置有台阶（1），所述平板（2）上表面与壁面（6）齐平，且平板（2）与壁面（6）之间不接触。
2.根据权利要求1所述的一种壁面台阶阻力评估试验装置，其特征在于：所述平板（2）四周与壁面（6）之间留有缝隙h，缝隙h为0.3~0.5mm。
3.一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，是依托于权利要求2所述的一种壁面台阶阻力评估试验装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，其特征在于：所述s2中的给定来流气动参数包括马赫数ma、总压p0和总温t0；
5.根据权利要求4所述的一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，其特征在于：所述台阶（1）的湍流边界层在前缘处，在风洞喉道（7）入口处贴转捩带实现。
6.根据权利要求5所述的一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，其特征在于：所述s4中的数据修正的具体步骤如下：
7.根据权利要求6所述的一种壁面台阶阻力评估试验模拟方法，其特征在于：所述s3中通过力传感器（4）采集平板（2）的轴向力的试验方法如下：
