[科普中國]-液晶法

簡介

液晶法是利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物,溫度較低時，無色透明,隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前后的溫差。它適用于高速和超聲速流態(tài)觀察。液晶的涂法與漆類似，先稀釋，再噴涂。液晶對污物雜質敏感，噴涂時，模型表面必須干凈。

液晶某些物質在熔融狀態(tài)或被溶劑溶解之后，盡管失去固態(tài)物質的剛性，卻獲得了液體的易流動性，并保留著部分晶態(tài)物質分子的各向異性有序排列，形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態(tài)，[1]這種由固態(tài)向液態(tài)轉化過程中存在的取向有序流體稱為液晶。現(xiàn)在定義放寬，囊括了在某一溫度范圍可以是顯液晶相，在較低溫度為正常結晶的物質。例如，液晶可以像液體一樣流動（流動性），但它的分子卻是像道路一樣取向有序的（各向異性）。有許多不同類型的液晶相，這可以通過其不同的光學性質（如雙折射現(xiàn)象）來區(qū)分。當使用偏振光光源，在顯微鏡下觀察時，不同的液晶相將出現(xiàn)具有不同的紋理。在紋理對比區(qū)域不同的紋理對應于不同的液晶分子。然而，所述分子是具有較好的取向有序的。而液晶材料可能不總是在液晶相（正如水可變成冰或水蒸汽）。

液晶可分為熱致液晶、溶致液晶。熱致液晶是指由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合物形成的液晶。通常在一定溫度范圍內才顯現(xiàn)液晶相的物質。典型的長棒形熱致液晶的分子量一般在200~500g/mol左右。溶致液晶：是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。是在溶液中溶質分子濃度處于一定范圍內時出現(xiàn)液晶相。它的溶劑主要是水或其它極性分子液劑。這種液晶中引起分子排列長程有序的主要原因是溶質與溶劑分子之間的相互作用，而溶質分子之間的相互作用是次要的。溶致液晶是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。1

炮風洞液晶測熱系統(tǒng)熱色液晶熱色液晶(Thermochromic liduid crystal，簡稱TLC)是一種隨著溫度變化而迅速改變其反射光顏色的膽鑿相液晶。反射光顏色改變，液晶也隨著改變顏色。事實上，熱色液晶是有選擇的反射可見光。所反射的可見光的波長決定于液晶隨溫度變化特殊的分子結構。隨著溫度升高，液晶從無色變?yōu)榧t色，然后為桔黃、黃色、綠色、藍色和紫色，最后再變?yōu)闊o色。利用這一特點，我們可以定性地確定噴涂有液晶材料的模型表面溫度。如果把其反射的可見光信息進行量化，就可以定量的確定相應的溫度值。

熱色液晶靜態(tài)校側系統(tǒng)靜態(tài)校測系統(tǒng)是在靜態(tài)條件下，模擬風洞實驗條件，包括照明、數(shù)碼相機狀態(tài)和液晶涂層等，對液晶校測板緩慢加熱，用數(shù)碼相機和鉑電阻溫度計獲得顏色和溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的色彩理論建立顏色和溫度之間的對應關系，獲得液晶的靜態(tài)校測曲線，即Hue一T曲線。

這套系統(tǒng)包括加熱板、校測板(噴涂了液晶的有機玻璃板)、鉑電阻溫度計、照明裝置、數(shù)碼相機和RGB讀取軟件，如圖所示。2

其他觀察方法風洞中流態(tài)觀察方法大致為分兩類:第一類是示蹤方法;第二類是光學方法。

示蹤方法在流場中添加物質，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動介質接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法，特別適合于顯示定常流動。常用的除液晶法外，還有煙流法、油流法、絲線法、蒸汽屏法和升華法等5種:

①煙流法 用風洞中特制煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞;也有將涂有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱,產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散,必須采用大收縮比的收縮段、穩(wěn)定段或風洞入口加裝抗湍流網和采用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態(tài)。煙流法除用于觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。

②油流法 在粘性的油中摻進適量指示劑(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊狀液態(tài)物，均勻地涂在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現(xiàn)出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區(qū)、激波與邊界層相互干擾等流動現(xiàn)象。

③絲線法 將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型后的網格上,由絲線的運動(絲線轉動、抖動或倒轉) 可以判明氣流的方向和分離區(qū)的位置以及空間渦的位置、轉向等。現(xiàn)在又發(fā)展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理后再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，并且可以拍攝下來。粘絲很細，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。

④蒸汽屏法 在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經過光面時，由于離心力的作用，旋渦內外蒸汽的含量是不同的,光的折射率因此不同,便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。

⑤升華法試驗時，將揮發(fā)性的液體或容易升華的固體噴涂在模型表面，依據(jù)涂料從模型上散失的速度與邊界層狀態(tài)有關的原理(在湍流邊界層內由于氣流的不規(guī)則運動導致該處蒸發(fā)量或升華量大于層流處)來區(qū)分邊界層狀態(tài)，確定過渡點的位置。

光學方法根據(jù)光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理制造出來的光學儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀(見風洞測試儀器)和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內采集大量的空間數(shù)據(jù)。它是一種直接顯示方法，特別適合于觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。