在風洞試驗中，NASA接合流模型翼身接合處的流動分離現象是驗證計算流體力學模型的關鍵難題。為深入研究該問題，2022年測試階段重點聚焦于對稱翼型機翼的邊界層轉捩特性。計算分析表明，特定波長（3-5毫米）的表面粗糙度會顯著放大橫流不穩定性，從而影響轉捩位置與形態。然而，模型機翼的實際粗糙度狀況及其對不穩定性的具體影響尚不明確。Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本研究在模型進入NASA蘭利14×22英尺亞音速風洞前，對其機翼上表面進行了系統的粗糙度表征。采用探針式臺階儀，嚴格遵循ASME B46.1-2002標準，測量了左右兩翼共十二個區域的表面輪廓。方案不僅獲取了常規的粗糙度參數（如Ra、Rq），更針對性地進行了功率譜密度分析，以揭示關鍵波長范圍內的頻譜特征。此舉旨在精確量化表面粗糙度，特別是那些可能激發橫流不穩定性的波長成分，為后續的轉捩實驗結果分析與CFD驗證提供可靠的輸入數據與物理解釋。

左：模型機翼幾何結構俯視圖、右：左機翼俯視圖

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探針式臺階儀的優勢

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艙口對比掃描圖（ λ<30μm 時數值異常）

研究最終選用探針式臺階儀作為核心測量工具，而非基于結構光的光學設備，核心原因如下：

探針式臺階儀性能：單次最大掃描長度 25.4mm，觸針為 60 度圓錐體（針尖半徑 2μm），高度數據采樣間隔 1.0μm、分辨率 0.01μm，測量前用 2.970μm 標準樣本校準，能精準捕捉表面微觀形貌；

光學設備局限性：模型尺寸大導致光學設備（需樣本置于移動平臺）操作不便，且短波長測量有誤差、掃描長度不足（無法覆蓋 3-5mm 關鍵波長），測量的均方根粗糙度值也始終偏高，最終被排除。

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測量區域與掃描規劃

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測量分兩階段進行，覆蓋機翼關鍵區域：

風洞外機翼粗糙度測量：每個機翼選取 6 個區域（前緣附近 + 翼弦中部），每個區域至少完成 30 次弦向掃描、30 次平行于前緣的掃描（因機翼后掠，部分為展向），掃描后需移動儀器確保數據獨立性；

風洞內連接處測量：邊界層轉捩測量后，聚焦機翼與整流罩的連接處（裝配時涂有 RTV 硅酮），掃描長度縮短至 15mm，采樣間隔 0.5μm，重點量化臺階和間隙。

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數據分析：從粗糙度參數到連接處特征

粗糙度參數計算流程

左：p1LE 區域展向掃描數據處理步驟、右：p1LE 區域弦向掃描數據處理步驟

掃描數據分割（25.4mm 拆為兩個 12.9mm 段，重疊 400μm）→中值濾波（5μm 長度，去除異常點）→去除形狀偏差（展向用線性擬合，前緣弦向用二次擬合）→高斯濾波去波紋度（截止波長 2.5mm）→截取評估長度（12.5mm）→劃分采樣長度（5 個 2.5mm 段）→計算 Ra（算術平均粗糙度）、Rq（均方根粗糙度）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及PSD（功率譜密度）。

臺階高度與間隙寬度計算

機翼 - 整流罩連接處掃描樣本圖

基于 BOLT-2 飛行器臺階分析方法簡化而來：確定臺階前后趨勢線→擬合線外推至間隙中心求差值（臺階高度）→統計間隙內極端峰 / 谷值，每次掃描重復 5 次以減少主觀誤差。

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核心結果與關鍵發現

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粗糙度參數：左右機翼的差異

（a）Ra值直方圖、（b）Rq值直方圖

整體水平：左翼平均Ra=2.512 ± 0.014 μm、Rq=3.104 ± 0.016 μm；右翼平均Ra=2.870 ± 0.013 μm、Rq=3.532 ± 0.015 μm，右機翼粗糙度更高；

分布特征：Ra/Rq 直方圖接近正態分布，但略偏向高值（受物理最小值限制）；Rsk 平均值接近零（峰谷無明顯優勢），Rku 在2.61-2.74之間（Rku<3，表明表面紋理均勻、峰谷平緩）。

粗糙度譜：3-5 mm波長的關鍵發現

左：不同擬合方式PSD對比、右：采樣長度與全掃描長度PSD對比

全掃描長度PSD對比：重點展示左右機翼前緣/中部、展向/弦向的PSD差異，尤其左機翼3-5mm波長的峰值特征

左機翼前緣附近展向掃描的 PSD 在3-5mm波長有顯著峰值，右機翼對應區域峰值不明顯；

這一差異恰好解釋了轉捩結果：多數迎角下右機翼轉捩前沿偏上游（因粗糙度高），而負迎角時左機翼內側轉捩前沿率先推進（3-5mm 波長峰值加劇橫流不穩定性）。

機翼-整流罩連接處：反向臺階與間隙

采樣長度PSD對比：補充短波長（λ<1mm）的光譜特征，完善粗糙度譜分析

間隙寬度：多數弦向掃描顯示間隙3-5mm（因計入 RTV 硅酮，可能偏高）；

臺階高度：兩機翼均存在反向臺階（整流罩略高于設計位置），且臺階高度隨距機身距離減小而增大（如左機翼 Y/b=-0.16 處臺階 291 μm，Y/b=-0.23 處降至 41.2 μm）；

展向掃描補充：外側間隙和臺階更小，且左機翼整流罩略高于機翼，右機翼相反。

本研究通過對NASA接合流模型機翼的表面表征，得出以下結論：定量測量表明，右翼的整體表面粗糙度（Rq為3.532 ± 0.015 μm）顯著高于左翼（Rq為3.104 ± 0.016 μm）。然而，更為關鍵的發現在于粗糙度的頻譜特性：左翼前緣在3至5毫米波長范圍內展現出更為突出的譜峰，該波長范圍被計算證實最易放大導致轉捩的穩態橫流不穩定性。

這一發現為實驗中觀察到的現象，即當迎角為負時，左翼內側更早出現由橫流主導的、呈鋸齒狀的轉捩前沿——提供了合理的物理解釋。此外，對翼身整流罩接合處的測量確認了后向臺階的存在，并量化了其沿展向變化的幾何特征。綜上所述，研究不僅量化了機翼的整體粗糙度水平，更重要的是揭示了粗糙度空間分布與頻譜特性對邊界層轉捩機制的差異化影響，為計算模型的精確驗證提供了不可或缺的實驗數據。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

原文參考：《Surface Roughness Measurements on the NASA Juncture Flow Model: 2022 Test Entry》

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