1、流 体 力 学实验指导书南京航空航天大学航空宇航学院人机与环境工程系2004 年 4 月 28 日1气动力学多功能实验装置筒述众所周知空气动力学的很多研究工作大多数是在风洞中进行的。因此根据风洞的一些基本性质制成了这种空气动力学多功能实验装置。它能提供一种可调节的流量，以配合流体力学讲课内容进行些教学实验以加强流体力学课程的实验环节。 如图一所示，多功能流体力学实验装置，包括一个离心风机。通风机从室内吸气排入风道，在风道上装有风量调节阀，用来调节其供气量，气流沿风道进入稳压箱。在稳压箱的下面设有一个长方型的供气出口，在供气出口处可以与收缩段相连，并可接上不同的实验段，在实验段下面设有工作台，台
2、面上有一部分是活动，实验时将桌面上活动部分的桌面盖板拿去，以免限制气流，此实验装置可做下面几种实验。1、 稳压箱 2、供气出口 3、风道 4、实验桌 5、电源开关 6、风机 7、风量调节阀 8、桌面盖板 9、电机 10、电机支座图一一、 平板边界层实验1、光滑平板或者粗糙平板不同断面流速分布实验2、整个平板边界层厚度的发展实验二、 圆柱绕流阻力实验(用两种方法)1、用天平直接称重量方法测量圆柱绕流阻力。计算阻力系数2、测量圆柱体表面不同位置的压强分布，计算阻力系数三、射流实验1、圆形喷咀射流不同断面流速分布实验2、收缩形喷咀射流不同断面流速分布实验3、扁形喷咀射流不同断面流速分布实验 四、 弯
3、道内侧、外侧和径向压力分布实验五、 升力表演实验 表演不同冲角时飞机的升力2实验一 流体静力学在测压仪表中的应用1、绝对压力、表压力，真空度 绝对压力它是以完全真空为基准所计量的压力，用 P 表示。表压力为绝对压力与大气压力之差，是以大气压力为基准所计量的压力，用 Pg 表示。 真空 若流体的绝对静压力低于大气压力，即为负的表压力也叫真空用Pv 表示。 以真空与大气压力相比的百分数(Pv/Pa100)表示真空的程度。式中：Pa 一场压及环境压力，也就是大气的绝对压力。上述几种压力之间的关系可表示为P=Pa+Pg Pg= P- PaPv=Pa-P绝对压力、大气压力、表压力、真空之间的相互关系可以
4、用图二表示图二在物理学中通常用绝对压力来计量压力，而在工程应用中则用表压力计量，这是因为在工程应用中用以测量压力的仪表都是与大气相通的，或者是处于大气压力的环境中。2、U 型管压力计U 型管压力计是一种液体压力计，是根据流体静力学原理制成的测压仪器，其特点有：结构简单，测量精度较高，价格低，能测正负压力和压差，量程短，测压差时承受的静压低。如图三所示，一根 U 型管，管内大约一半高度内装有工作介质（如水、水银、酒精等）被测介质可以是气体、液体（但要注意工作介质的重度一定要大于被测介质的重度，并且相互之间不能起化学反应） 。图三3假定被测介质的重度为 1，取工作介质的重度为 2，外界大气的重度为
5、 3，所测容器内的压力为 P，接 U 型管的一端。大气压力为 Pa，接 U 型管的另一端。若所测压力是大于场压 Pa 的表压力，如图所示，令被测介质与工作介质在U 型管内的交界处为 2，过 2 引水平线与左支管交于 1。由于 1、2 在同一等压面上，根据帕斯卡原理，因此就有 P1=P2 P1=Pa+ 3h1+ 2h1 将上两式合并、并整理得P= Pa+ 3h1+ 2h1- 1h2当大气重度 3和被测介质的重度 1都远远地小于工作介质的重度 2时， 3h1、 1h2 均可忽略不计。则P=Pa+ 2h1如果把 Pa 当作是另一个容器里的压力时，则 2h1=P-P 2由此可见 U 型管也可以用来测压
6、差。3、单管压力计单管压力计的工作原理与 U 型管相同，其形状是由一个截面较大的容器和玻璃连通管所组成，如图四，根据连通管的原理，容器内排出的夜体的体积等于进入测量管内液体的体积。若容器的截面积为 F2，测量管的截面积为 F1，则有 F2h2=F1h1 h=h1+h2=h1+h1F1/F2=h1(1+F1/F2)由于容器内的截面积 F2大大地大于测量管的截面积 F1，所以可以将 hh 1 则有 P=Pa+h ,式中 为工作介质的重度。特点：具有 U 型管的一些特点，并还有能承受较高静压的特点。图四4、斜管压力计 当测量很微小的流体压力时。为了提高测量精度往往采用斜管压力计，它是单管压力计的一种
7、变形，只是把测量管做成倾斜的。在同一压力作用下，使得倾斜的液柱长度增加，从而提高其测量精度。 如图五所示，所测的压力 P=Pa+h= Pa+Lsin如果略去 h2 的影响则有 P= Pa+Lsin在选用上述几种测压计时要注意：41、 量程 2、 耐静压的能力 3、 安装要正确 图五4、 量程 5、 耐静压的能力 6、 安装要正确 7、 合理选用工作介质5、大气压力计工程上为了精确地测量介质的绝对压力，就必需对大气压力进行测量。在实验室里常用的大气压力计是水银单管压力计。大气压力计的工作原理如图六，它是由一根一端封闭，并装满水银的玻璃管倒置在水银盆内。由于大气压力和重力的作用，在玻璃管封闭的一端
8、形成真空即 P=0，根据流体静力学力平衡方程则有： Pa=h (式中 =水银重度)计量大气压力的常用单位为 mmHg 或 mb，或 mb，其换算关系为 1mb=0.75mmHg）图六6、金属压力计 金属弹性元件有很多种，常用的有单圈弹簧管，多圈螺旋弹簧管，金属膜片，膜盒波纹管等。测压原理：是在被测介质压力的作用下，弹性元件产生弹性变型，在自由端输出角位移或线位移。这些变型再通过齿轮和连杆等连接机构传送给指示器。5由于这类压力计构造简单，使用方便，具有足够的精度，因此被广泛地用于工程试验和实验室内。单管弹簧压力计。工程上通称为压力表。其内部结构它的主要部分是一个弯成环形的金属管，截面是椭圆形的，
9、管的一端是封闭的，称为自由端，管的另一端与被测压力器相通，称为固定端。当所测压力与大气压力相等时，自由端保持不动，指针指示为 0，当所测压力大于外界大气压力时，金属管产生弹性变形，使自由端向外移动，从而推动指针偏转。压力越大，偏转的角度也越大，这样测出的压力为表压力，要想知道所测气体的绝对压力还需借助于大气压力计，利用公式 P=Pa+P 表。若所测气体的压力小于大气压力则用真空表，其工作原理类似。图七 压力表外观和内部结构图6实验二 管道内流阻实验一、实验目的1、学会测量管道的沿程损失P L和局部损失P r的方法2、了解管道的压降特性 二、实验原理和实验所用设备 1、 实验原理： 如实验原理图
10、所示，当流体流过实验管道时，由于实际流体所具有的粘性和紊流时质点的激烈交换引起的能量损失P L和在流体横截面积或流束外形急剧改变时流体的速度向量发生了剧烈的变化所引起的能量损失P r。事实上流体运动时的总能量损失也就是由沿程阻力P L和局部损失P r共同产生的。可用公式表示为PT=P L+P r2、 实验原理图 见图八 3、 实验所用仪表 （1） 孔板流量计（2）压力表 （3）压差计图八 流阻实验原理图三、实验内容 测量两种实验管道的沿程损失P L和局部损失P r，实验管道的尺寸见图九 7图九四、实验步骤1、 按实验原理图检查实验设备，并熟悉实验没备2、 记录实验场地的大气压力 Pa 和大气温
11、度 ta3、 拟定实验流量(一般流量范围为 50100Kghr)根据拟定的流量确定相对应的孔板入口压力，孔板前后压差。附孔板流量计流量计算公式G=10.074H Kg/h式中 孔板进口处空气密度 Kg/m 3H孔扳前后压差 mmH 20膨胀校正，一般取 =1G 一所测流量 Kg/h4、打开阀 A、阀 C 和阀 F。慢慢地打开阀 B，并分别调节阀 B 和阀 C 以使得P 孔 、H 孔 达到某一流量下所对应的值时，再打开阀 F2同时关闭 F1，待气流稳定后再记录下 P 孔 、H 孔 、P 入 、P L。然后再打开阀 F3，同时关闭 F2进行弯管试验，待气流稳定后再记录下 P 孔 、H 孔 、P 入
12、 、P T。最后再打开 F1同时关闭 F3，再重复上述步骤，改变流量，直止试验完毕。5、实验结果将实验数据添入相应的表格中。直管实验数据Pa= ta=序号 P 孔 H 孔 G P 入 P L测 P L理123456弯管实验数据Pa= ta=序号 P 孔 H 孔 G P 入 P L测 P L理123456所用管道尺寸其内径为 ，/d=0.0018实验三 紊流射流实验一、实验目的通过紊流不同断面流速分布的测量，加深对紊流射流运动的理解。二、实验原理射流是指从孔口或缝隙处喷出，断面具有有限尺度的一股流体称为射流。射流从孔口或缝隙喷出后有一个突出的性能，就是卷吸作用。射流的运动形状分为层流型或紊流型。
13、1、射流自孔口出口以均匀的流速射入静止的环境中。射流的边界线的延长线交于 E 点。此点称为极点，其交角为 2， 为扩散角。2、从孔口起直至势流核消失的断面叫做射流的起始段，起始段以后的断面叫主体段，主体段内各横断面纵向的流速分布有明显的相似性，用无量纲形式整理实验结果，可得到半经验公式V/Vm=(1-(Y/Ya)1.5)3上式既适用于圆射流，也适用于扁射流。式中：V所测断面上某测点的速度Vm所测断面中心流速Y所测断面上某测点距射流轴线的距离Ya所测断面射流半宽度速度 V 和 Vm 可以用下式计算V= 2g(1/1)cosh式中 V测点速度毕托管修正系数g重力加速度1压力计内液体的密度2所测介质
14、的密度测压管与铅垂方向的夹角 h所测压差图十一 射流轴对称示意图9从图中可以看出 Y0=Ro+xtg对扁喷嘴来说 Y0=b0/2+xtg式中： Ro喷嘴半径 15mmb0扁形喷嘴宽度 7mm扩散角tg=amp对圆喷嘴：mp=3.4 a=0.07对扁喷嘴：mp=2.44 a=0.010.11三、实验装置1、稳压箱 2、喷嘴 3、毕托管 4、纵向标尺 5、横向标尺图十二四、实验内容1、 求 角2、 求 L03、 求 Vm 的分布4、 求 V 的分布五、实验步骤按实验内容进行准备，检查实验设备是否调整好， 测压计的水平泡是否居中，并根据实验内容确定测压计量程，测量气温和大气压，实验完毕应及时停机。
15、六、实验结果和计算 1、 求 角 根据射流的性质，在边界外、其总压就等于外界大气压，根据这个特点，先在距喷咀 x1 处先取一点，毕托管由喷咀轴线处慢慢地向外移动，直到毕托管总压等于外界大气压时记下 y1 填入表中，再在距喷咀 x2 处选取一点，用同样四万法记卞 y2 填入表中，通过计算即可得到所要求的 角。X1 Y1 X2 Y2 x y 理表中：x=x2-x1; y=y2-y1 测=arctgy/x10 理=arctgamp2、 求 L0根据射流起始段的特点，将毕托管放在喷嘴出口处的轴线上，记下出口处气流的总压和静压差，然后将毕托管沿轴线移动，直至毕托管总静压差发生变化为止，则毕托管移动的距离
16、为 L0 测。L0 理=1.7R0/tg3、 求 Vm 的分布将毕托管置于喷嘴出口处的轴线上，沿着轴线移动毕托管，每移动一次将毕托管距喷嘴的距离记入表中，并记下每次所测的毕托管总静压，重复上述过程直至实验做完。Vm 的分布表序号 x表中： Vm=2RTH 总/PVm 理=V0（2.7/(1+xtg/R0)4、 求某断面速度 V 的分布将毕托管置于距喷嘴 x 处的轴线上,逐次沿着离开轴线的法线方向移动毕托管，并记下离轴线的距离 Y 和毕托管所测出的静压填入表中，通过计算即可整理出 V 的分布。 （考虑射流的对称性，因此实验时只测量半边）距喷嘴 X= 处断面的 V 的分布序号 Y h # h 静
17、h 总 V 测 V 算表中： V 测=2RTh 总/PV 算=Vm（1-（Y/Y 0） 1.5） 2注：测量断面的速度分布应在基本段内测量11实验四 平板边界层实验一、实验目的通过测定平板边界层的端面速度及边界层的发展，以加深对速度边界层特征的了解。速度边界层特征田理解。二、实验原理由于实际流体都具有粘性。紧贴壁面的流体将粘附在固体表面。其相对速度为零。离开壁面沿着法线向外，流体的速度开始迅速加快起来，随后这种增长趋势减慢，最后达到没有明显变化的状态。这一受流体粘性作用，而沿壁面法线发生平行于壁面的流速变化的流体层叫做边界层。通常规定从壁面到 V=0.9 9V0处的这段距离为边界的厚度记为 ，
18、Vo 是未受扰动处的主流速度。在边界层的厚度沿平板长度方向是顺流渐增的。在平板的前段是层流边界层。如果平板足够长则边界层可以过渡到紊流。判别过波位置的特征是雷诺数Rex。图十三 平板边界层的一般特征光滑平板层流边界层的实验结果可以与布拉修斯理论进行比较。V/V0=(Y/) (1/7)三、实验装置图十四 实验段布置图图十四为安装在收缩段出口处的实验段布置图，在实验段的中部垂直安装一块劈面，一面光滑，另一面粗糙的铝制平板，平板可以沿实验段滑动，因此可以测量平板不同断面处的流速分布和整个平板边界层的发展。实验段的出口装有一根精致的毕托管。毕托管的位置可以通过一个横动装置上安装的千分来控制，并且毕托管
19、由两根橡皮管连接到斜管压力计上，横向移动装置上还装有两根带弹簧的滑道以及一个接触指示灯。四、实验步骤 1、实验准备 a、根据实验要求调整测压计的液面高度和压力计的倾斜角。并检查测压计时水平泡是否居中。b、将皮托管尾部的橡皮管连接到测压计上c、将实验台面上的木板拿掉，以利于气流自由流出。2、 将接触指示灯电线一根接到实验板上，另报接到皮托管上，然后慢慢旋转千分卡，当皮托管一接触到铝板时，指示灯即发出亮光，此时应立即停止旋转(注意一定要小心慢旋以防弄坏皮托管 )123、 接通电源打开风道调节阀进行测量4、首先记下千分卡尺亮灯时的初读数 y和测压计的初读数，然后反向旋转千分卡 0.05mm 左右并记
20、下千分卡的读数 y“和压差计的读数。重复上诉步骤直到测压计的液面高度不再变化时为止。此时所测的流速即认为达到势流流速V。 。算出 V0.99V。时的h 值。调节千分卡尺使测压计上的h 值等于V0.99V。时的h 值，并记下千分卡尺的读数 y“。此断面边界层厚厦 即为= （y“- y）+（b/2） 。 （b=0.2mm 系皮托管前端厚度） 5、测平板边界层发展曲线 x=f(x)时，是利用移动实验板的位置使皮托管位于不同的 x 处。首先记下毕托管刚接触实验板时千分卡尺的读数 y，然后测出势流流速 V。 ，再根据 V=0.9 9 V。时的h 值所对应的千分卡尺读数 y“，则该断面上边界层的厚度即为=
21、 （y“- y）+（b/2） 。松开固定螺丝，将实验板移动一段距离，并假定 V。不随 x 变化，调节千分卡尺使测压计的读数仍等于h，记下千分卡尺的读数 y“则此断面的边界层厚度为 = （y“- y）+（b/2） ，重复上述步骤即可作出一条边界层发展曲线=f(x)。5、时应关闭风机。五、实验结果和计算气体温度 t = K大气压力 Pa = mmHg气体密度 = Kg/m3动力粘滞系数 = NS/m 2气体运动粘滞系数 =/ m2/S实验板长度 L 300mm毕托管前部厚度 b = mm稳压箱压强 P = mmH20实验所测得 y“、h 以及计算结果 V/ V。 ，Y/ 计入表一、表二中，其中=(
22、P*-P)/(P0*-P0)= (h/h0)式中： h 为对应流速为 V 的测压计读数 h0 为对应流速为 V0 的测压计读数流速 V 与 V0 也可以用下式计算V=(2g(1/2) hcos式中： V：测得的流速：毕托管修正系数1：测压计内液体的密度2：被测介质的密度：测压管与铅垂方向的夹角h：所测压差13表一 光滑平板壁面上边界层流速分布序号千分卡读数 y“mm毕托管距实验板距离= y“- y+b/2所测压差hmmH20V/V0 Y/表二 粗糙平板壁面上边界层流速分布序号千分卡读数 y“mm毕托管距实验板距离= y“- y+b/2所测压差hmmH20V/V0 Y/实验时千分卡的初始读数 y=
