《工程流体力学》课程教学资源（实验指导书）空气动力学多功能实验.pdf

料得到，当沿光滑壁面平板紊流边界层的流速分布可表示成指数形式u/4,=(y/6)°时，（当 Re,.=10-103,指数1/n=1/5-1/8),若取n=7,可以推导出紊流边界层厚度的计算公式为： 0.37 6= Re us 3、使用微压计的毕托管量测流速时，计算公式为： u,=2grglo 式中： p一一毕托管修正系数，取1：。一一空气容重： 1一一斜管微压计从0点算起的液柱长度： p一一微压计的常数因子。在实验时选定一断面X,利用千分尺测出测点到壁面的垂直距离，并利用毕托管测得该点的压差△h=10,从而求得该点的流速。沿壁面法线方向改变测点位置测出各该点流速、当微压计△h不再继续变化说明已经达到主流区。在壁面法线方向上各点流速确定之后，即速度分布己知，便可以按附面层厚度定义确定该断面处的附面层厚度。移动实验板位置。即改变X找出各断面的附面层厚度，可以观察到整个平板附面层厚度的发展。三、实验设备实验在空气动力学多功能实验台上进行，该实验台相当于一个小型风洞，它包括风机、稳压箱、收缩段与实验段等。由风机提供风源，用调节阀来调节风量：所需风量经风道送入稳压箱，稳压箱下接收缩段，在出口可接各种实验段：实验后的气流从实验台面上的孔口吸入风机，以供循环使用。经过整流的气体以匀速进入边界层实验段，在实验段轴心安装一块实验平板，平板可沿轴线上下移动，以便选择不同的测量断面。在实验段出口装一根其扁嘴孔口宽度很小的小型毕托管，毕托管连在千分尺上，用以调节和测量毕托管的横向位置。当毕托管刚接触到实验平板时，定为测量断面的起始点。毕托管与斜管微压计相连，测量流速。四、实验步骤 1、1.取下桌面上盖；2.将附面层试件插入收敛口并固定；3.调平斜管微压计，确定斜管的倾斜位置，测层流边界层时，斜管可置于系数0.3处：测紊流边界层时，斜管可置于系数0.6处。 2、确定实验板长度（层流时在X=100mm以内：紊流时X=300mm)。拧紧实验板的固定螺丝。 3、顺时针转动千分卡尺，使毕托管靠近实验板，当快接触实验平板时，一定要慢旋以防碰伤毕托管；当毕托管刚接触平板时，指示灯发亮，应立即停止旋转。 4、接通通风机电源，开启进气调节阀门，测层流时阀门应开得很小：测紊流时则阀门全开。当气流稳定后，记录亮灯时斜管微压计读数；起始时毕托管距实验板的距离为 0.15m,反时针旋转千分卡尺以改变测点位置，靠近平板处测点间距应在0.03mm左右；随着距平板距离的增加，测点间距可逐渐增加至0.05mm2mm间，共需测20个点左右。每次应记录下相应于千分卡尺读数y和斜管微压计读数△h。当移动千分卡尺而压力计读数不再继续变化时，表明测点已达到主流区；在主流区内可测三个点以取平均值作为边界层外的来流流速。。将主流区测得的△h值乘以(0.99)即得边界层厚度δ处的△h',顺时针旋转千分卡尺，当斜管微压计读数等于△h'时，此时千分卡尺距离实验板的距离即为 2

2 料得到，当沿光滑壁面平板紊流边界层的流速分布可表示成指数形式 2 0 u u y / ( / )    时，（当 5 8 Re 10 10 , 1/ 1/5 1/8 x     指数 n ），若取 n=7，可以推导出紊流边界层厚度的计算公式为： 1/5 0.37 Rex   3、使用微压计的毕托管量测流速时，计算公式为： 2 x g u g l     式中：  ——毕托管修正系数，取 1； g  ——空气容重； l ——斜管微压计从 0 点算起的液柱长度；  ——微压计的常数因子。在实验时选定一断面 X，利用千分尺测出测点到壁面的垂直距离，并利用毕托管测得该点的压差   h l ，从而求得该点的流速。沿壁面法线方向改变测点位置测出各该点流速、当微压计 h 不再继续变化说明已经达到主流区。在壁面法线方向上各点流速确定之后，即速度分布已知，便可以按附面层厚度定义确定该断面处的附面层厚度。移动实验板位置。即改变 X 找出各断面的附面层厚度，可以观察到整个平板附面层厚度的发展。三、实验设备实验在空气动力学多功能实验台上进行，该实验台相当于一个小型风洞，它包括风机、稳压箱、收缩段与实验段等。由风机提供风源，用调节阀来调节风量；所需风量经风道送入稳压箱，稳压箱下接收缩段，在出口可接各种实验段；实验后的气流从实验台面上的孔口吸入风机，以供循环使用。经过整流的气体以匀速进入边界层实验段，在实验段轴心安装一块实验平板，平板可沿轴线上下移动，以便选择不同的测量断面。在实验段出口装一根其扁嘴孔口宽度很小的小型毕托管，毕托管连在千分尺上，用以调节和测量毕托管的横向位置。当毕托管刚接触到实验平板时，定为测量断面的起始点。毕托管与斜管微压计相连，测量流速。四、实验步骤 1、1.取下桌面上盖；2.将附面层试件插入收敛口并固定；3.调平斜管微压计，确定斜管的倾斜位置，测层流边界层时，斜管可置于系数 0.3 处；测紊流边界层时，斜管可置于系数 0.6 处。 2、确定实验板长度（层流时在 X=100mm 以内；紊流时 X=300mm）。拧紧实验板的固定螺丝。 3、顺时针转动千分卡尺，使毕托管靠近实验板，当快接触实验平板时，一定要慢旋以防碰伤毕托管；当毕托管刚接触平板时，指示灯发亮，应立即停止旋转。 4、接通通风机电源，开启进气调节阀门，测层流时阀门应开得很小；测紊流时则阀门全开。当气流稳定后，记录亮灯时斜管微压计读数；起始时毕托管距实验板的距离为 0.15mm ，反时针旋转千分卡尺以改变测点位置，靠近平板处测点间距应在 0.03mm 左右；随着距平板距离的增加，测点间距可逐渐增加至 0.05mm～2mm 间，共需测 20 个点左右。每次应记录下相应于千分卡尺读数 y 和斜管微压计读数 h 。当移动千分卡尺而压力计读数不再继续变化时，表明测点已达到主流区；在主流区内可测三个点以取平均值作为边界层外的来流流速 0 u 。将主流区测得的 h 值乘以（0.99）2即得边界层厚度δ处的Δh′，顺时针旋转千分卡尺，当斜管微压计读数等于Δh′时，此时千分卡尺距离实验板的距离即为

边界层的厚度8。 5、为了测定平板边界层厚度随X的变化规律，可移动实验板的位置，使毕托管位于不同的X值处，以测出不同断面的δ值，并与理论近似计算公式相比较。 6、测量大气压和空气的温度，并记录有关常数值。实验完毕，断电停机。五、实验记录及实验结果 1、将记录填入表格。表中y值为测点到平板的垂直距离；△h值为测点压差，由微压计测得，并计算出测点流速4及4。 2、计算u/u0,在方格纸上绘制以y为纵坐标，u/u0为横坐标的关系图。 3、确定各断面附面层厚度，绘出沿平板的附面层发展曲线。常数：空气温度：t= ℃，平板实验长度：L=0.3m大气压强：pa/y=772mm汞柱 △hmm △hmm y △hmm 4 U/Uo 酒精柱 U/Uo 酒精柱 U/U. mm 酒精柱 mm m (二)紊流射流实验一、实验目的 1.观察射流结构及速度分布情况：通过测定气体紊动射流断面流速分布，了解紊动射流的特性。 2.学习利用毕托管和微压计测定气流速度的原理和方法，测定紊流系数α。二、实验原理射流是指孔口或喷嘴向外喷出，进入另一流体领域的一股流体。射流的运动形态分为层流型和紊流型。紊流射流自喷嘴出口以均匀的流速射入静止的环境中时与周围静止的流体之间形成速度不连续的间断面，间断面因受干扰失去稳定而产生旋涡，旋涡卷吸周围流体而进入射流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展：形成内外两个自由紊动的混合层，因整个射流场的静压是相等的，故沿流动方向没有任何外力。由于动量的横向传递，卷吸进入的流体取得动量而随同原来射出的流体向前流动，原来的流体失去动量速度降低，自由射流的动量保持不变。在混合层中形成一定的流速梯度，又称剪切层。卷吸与混掺的结果，使射流断面不断扩大，而流速不断降低，流量沿程增加。由于紊流的间歇现象，射流边界实际上是一个由紊动涡体和周围势流交错组成的不规则面，但实际分析时从统计平均意义上把射流边界看成线性扩展的界面。将主体段的边界线延长交于0点，0点为射流极点。紊流射流在形成稳定的流动形态后，整个射流分成几个区段，由喷嘴边界起向内外护展的紊动混参部分称为边界层，中心部分未受到混掺的影响而保持原来出口流速，称为射流核心，从出口到核心消失断面之间的流动称为起始段。紊动充分发展的部分称为主体段。见图二： 3

3 边界层的厚度δ。 5、为了测定平板边界层厚度随 X 的变化规律，可移动实验板的位置，使毕托管位于不同的 X 值处，以测出不同断面的δ值，并与理论近似计算公式相比较。 6、测量大气压和空气的温度，并记录有关常数值。实验完毕，断电停机。五、实验记录及实验结果 1、将记录填入表格。表中 y 值为测点到平板的垂直距离； h 值为测点压差，由微压计测得，并计算出测点流速 x u 及 0 u 。 2、计算 u/u0，在方格纸上绘制以 y 为纵坐标，u/u0 为横坐标的关系图。 3、确定各断面附面层厚度，绘出沿平板的附面层发展曲线。常数：空气温度：t= ℃，平板实验长度：L=0.3m 大气压强：pa/  =772mm 汞柱 y mm h mm 酒精柱 U/U0 y mm h mm 酒精柱 U/U0 y mm h mm 酒精柱 U/U0 （二）紊流射流实验一、实验目的 1.观察射流结构及速度分布情况；通过测定气体紊动射流断面流速分布，了解紊动射流的特性。 2.学习利用毕托管和微压计测定气流速度的原理和方法，测定紊流系数  。二、实验原理射流是指孔口或喷嘴向外喷出，进入另一流体领域的一股流体。射流的运动形态分为层流型和紊流型。紊流射流自喷嘴出口以均匀的流速射入静止的环境中时与周围静止的流体之间形成速度不连续的间断面，间断面因受干扰失去稳定而产生旋涡，旋涡卷吸周围流体而进入射流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展；形成内外两个自由紊动的混合层，因整个射流场的静压是相等的，故沿流动方向没有任何外力。由于动量的横向传递，卷吸进入的流体取得动量而随同原来射出的流体向前流动，原来的流体失去动量速度降低，自由射流的动量保持不变。在混合层中形成一定的流速梯度，又称剪切层。卷吸与混掺的结果，使射流断面不断扩大，而流速不断降低，流量沿程增加。由于紊流的间歇现象，射流边界实际上是一个由紊动涡体和周围势流交错组成的不规则面，但实际分析时从统计平均意义上把射流边界看成线性扩展的界面。将主体段的边界线延长交于 O 点，O 点为射流极点。紊流射流在形成稳定的流动形态后，整个射流分成几个区段，由喷嘴边界起向内外扩展的紊动混掺部分称为边界层，中心部分未受到混掺的影响而保持原来出口流速，称为射流核心，从出口到核心消失断面之间的流动称为起始段。紊动充分发展的部分称为主体段。见图二：

式中：α一一喷嘴紊流系数，锥形喷嘴取0.066；圆柱喷嘴取0.08；扁喷嘴取0.12 -射流之射程(m) 山。一一喷口处流速（m/s) 3.测点流速 U=中 (△h·n+p)P酒 P空式中：u一一测点流速 ·一一毕托管修正系数；基本型毕托管取1 P酒一一酒精密度 P坐一一空气密度 7一一测压计的常数因子 p一一测压计的修正系数三、实验设备实验在空气动力学多功能实验台上进行。四、实验步骤 1、检查及调整实验设备，如毕托管与测量标尺是否固定好，测量标尺固定螺丝是否松动。 2、调平微压计的水平泡，确定斜管的倾斜位置在常数因子=0.6处，调整斜管内的液面到零位，将毕托管的动压（或总压）管接头接到微压计容器接头上，将静压管接头接到斜管上。将毕托管用橡皮管与测压计连接。 3、去掉实验台上面板，接通风机电源。 4、将毕托管放到测定点，定出毕托管在喷嘴出口断面中心坐标即Y心，并记录该值。慢慢开启实验台调节门，使出口断面斜管微压计的斜管中的酒精柱在100m左右，待气流平稳后开始量测。首先记下中心处的微压计斜管液柱压差I值，中心点两侧的测点处相同，再测定不同y值处的压差值。根据流速分布变化来定合适的测点间距。 5、确定量测断面，估算量测断面的射流半宽度y。值，因y。值不易测准确，常采用流速等于U,/2处的y值，确定毕托管大致移动范围。应量测三个断面，即出口断面、起始段一个断面和主体段一个断面；出口断面可测7个测点，其它断面测13-15个点。 6、确定所选断面的测点数和测点步长，由于圆管射流的对称性，应在射流半径内确定测量点数、出口断面、起段内断面、主体段内断面。最少测量点数分别为3点、5点、7 点。根据所选断面的射流半径坐标值（该值应实验中测得）和射流中心坐标值，以及测点数确定测点步长，即：测点步长=Y心-Y￥÷测点数根据测点数和测点步长可确定每次测量点的y值。 7、待气体平稳后开始测量，首先记录下中心处的压差△h,再根据算得y值沿射流半径一个方向测量，每次改变y值后，一定要观察斜管压力计中液面稳定后，再进行读数。 8、沿中心线向下移动毕托管，当微压计读数开始变化时记录该点的X坐标，此点所在断面为转折断面。 9、分别向上及向下移动毕托管到所选测断面，找出射流边界，根据流速分布变化，确定合适的测点间距。记录各测点的坐标有微压计读数。 10、测定大气压和气温。 11、实验完毕后关闭风门，停机，切断电源，收拾好仪器设备使设备恢复原状

5 式中：  ——喷嘴紊流系数，锥形喷嘴取 0.066；圆柱喷嘴取 0.08；扁喷嘴取 0.12 s ——射流之射程（ m ） 0 u ——喷口处流速（ m s/ ） 3．测点流速 ( ) 2 h U g          空酒式中： u ——测点流速  ——毕托管修正系数；基本型毕托管取 1  酒 ——酒精密度 空 ——空气密度  ——测压计的常数因子  ——测压计的修正系数三、实验设备实验在空气动力学多功能实验台上进行。四、实验步骤 1、检查及调整实验设备，如毕托管与测量标尺是否固定好，测量标尺固定螺丝是否松动。 2、调平微压计的水平泡，确定斜管的倾斜位置在常数因子 n  0.6 处，调整斜管内的液面到零位，将毕托管的动压（或总压）管接头接到微压计容器接头上，将静压管接头接到斜管上。将毕托管用橡皮管与测压计连接。 3、去掉实验台上面板，接通风机电源。 4、将毕托管放到测定点，定出毕托管在喷嘴出口断面中心坐标即 Y中心，并记录该值。慢慢开启实验台调节门，使出口断面斜管微压计的斜管中的酒精柱在 100mm 左右，待气流平稳后开始量测。首先记下中心处的微压计斜管液柱压差 l 值，中心点两侧的测点处相同，再测定不同 y 值处的压差值。根据流速分布变化来定合适的测点间距。 5、确定量测断面，估算量测断面的射流半宽度 0 y 值，因 0 y 值不易测准确，常采用流速等于 Um /2 处的 y 值，确定毕托管大致移动范围。应量测三个断面，即出口断面、起始段一个断面和主体段一个断面；出口断面可测 7 个测点，其它断面测 13 15  个点。 6、确定所选断面的测点数和测点步长，由于圆管射流的对称性，应在射流半径内确定测量点数、出口断面、起段内断面、主体段内断面。最少测量点数分别为 3 点、5 点、7 点。根据所选断面的射流半径坐标值（该值应实验中测得）和射流中心坐标值，以及测点数确定测点步长，即：测点步长测点数    Y Y 中心半根据测点数和测点步长可确定每次测量点的 y 值。 7、待气体平稳后开始测量，首先记录下中心处的压差 h,再根据算得 y 值沿射流半径一个方向测量，每次改变 y 值后，一定要观察斜管压力计中液面稳定后，再进行读数。 8、沿中心线向下移动毕托管，当微压计读数开始变化时记录该点的 X 坐标，此点所在断面为转折断面。 9、分别向上及向下移动毕托管到所选测断面，找出射流边界，根据流速分布变化，确定合适的测点间距。记录各测点的坐标有微压计读数。 10、测定大气压和气温。 11、实验完毕后关闭风门，停机，切断电源，收拾好仪器设备使设备恢复原状