平板流動粘性附面層測定實驗指導書

1、低速氣流平板邊界層速度分布測量實驗指導書航空工業(yè)管理學院航空工程實驗中心一、實驗目的1. 測量低速氣流在平板上形成的邊界層速度分布，加深認識氣流的粘性特征和粘性作用強弱圍。2. 熟悉皮托管結(jié)構(gòu)，掌握其測速方法。3. 熟悉傾斜測壓計結(jié)構(gòu)，掌握其測壓方法，能夠正確使用千分尺。二、實驗通用規(guī)1按時按地點參加實驗，實驗分組進行，愛護實驗室實驗儀器和設備，不準碰撞或任意移動儀器或設備，不許亂跑亂動和大聲喧嘩。2實驗前，各組學生必須認真預習，閱讀實驗指導書和教材、書籍等有關資料，了解實驗目的、原理方法、操作步驟及注意事項。3實驗開始前，服從實驗指導教師的安排，認真聽講，仔細了解實驗設備和儀器的操作方法和注

2、意事項，確定組長及組人員實驗分工。4實驗中，嚴格按照相應實驗操作規(guī)程，集中精力，有條不紊，認真操作，如實觀察和記錄各種實驗數(shù)據(jù)和有關實驗現(xiàn)象，初步進行一定數(shù)據(jù)處理和分析。5實驗過程，如出現(xiàn)異常情況，應及時向指導教師匯報。6實驗后，實驗記錄數(shù)據(jù)交指導教師檢查，并按要求將實驗儀器設備裝置復位。7在規(guī)定時間，按要求編寫完成并上交實驗報告，注意報告除原始記錄數(shù)據(jù)外，實驗數(shù)據(jù)的處理和分析等容不得相互抄襲。三、平板流體邊界層概念當勻直氣流u0 流向平板時，由于粘性作用使緊貼平板表面處的流速為零，離開板面速度逐漸增大，最后恢復到相當于無粘勢流的速度，對平板來說即等于前方來流的速度u0了，見圖 1。由于空氣粘

3、性很小，只要來流速度不是很小時，流速變化大的區(qū)域只局限在靠近板面很薄的氣流層，層中粘性切應力對流動影響不能忽略，這一薄層氣流通常叫作邊界層或附面層氣流。自板面起沿著它的法線方向，至達到99%無粘流速度u0 處的距離，人為規(guī)定為邊界層厚度（） 。圖 1 平板流動邊界層增加來流勢流的湍流度或板面的粗糙度，將會改變板面上邊界層的形成和分布特性。對于沿光滑平板迎角為零的紊流邊界層，其速度分布與法向坐標y 的經(jīng)驗關系之一為：u( y ) u0 ( y )1 / 7由此得出的邊界層厚度結(jié)果是：1/ 50.37 xu0 x當空氣運動粘度1510 6 時，在x=0.2m、 u0=30m/s 情況下，計算出邊界

4、層厚度=5mm ，可見氣流邊界層一般是很薄的。四、實驗裝置與測量原理邊界層實驗是在小型多功能氣動力學實驗臺上進行的，圖2 是實驗臺和邊界層測量裝置示意。 經(jīng)風機加功增壓后，氣流進入穩(wěn)壓箱， 經(jīng)收縮段流入實驗段。沿實驗段中心軸線上，安裝一塊實驗平板。實驗段側(cè)面固定裝有畢托管，此畢托管可沿水平方向移動，位移量用千分尺測量。 借此可測量不同y 坐標的邊界層速度u(y)。平板可以沿著實驗段的滑槽移動，從而改變畢托管口與平板起端的距離x，借此可以測量若干個斷面的邊界層速度分布。邊界層畢托管口為鴨嘴形扁平口，其寬度約為0.3mm 。畢托管口中心與平板的距離用千分尺測量，方法是：慢慢轉(zhuǎn)動千分尺的旋鈕，使畢托

5、管慢慢靠近平板。當畢托管的管口抵達平板時，此時千分尺讀數(shù)為起始讀數(shù)，這時畢托管管口中心與平板的距離約為0.15mm。當移動畢托管到新位置時，記下千分尺的讀數(shù)，此讀數(shù)與起始讀數(shù)相減，再加上0.15mm ，就得到畢托管口中心與平板的距離。注意：千分尺讀數(shù)精度為0.01mm。千分尺旋鈕每轉(zhuǎn)一格，畢托管移動0.01mm；旋鈕旋轉(zhuǎn)一圈，畢托管移動0.5mm。畢托管實際上是一根L 形總壓管，以測量氣流的總壓值p0。因邊界層氣流測量處已暴露于周圍大氣中，此處壓強值近似保持為當?shù)卮髿鈮褐祊a。在不可壓低速流場中，每一點處的氣流總壓P0i 等于該點處的靜壓和動壓1ui 2 之和，這樣用畢托管測定各點的流速的計2

6、算式可寫為：u i2 ( p0 i pa )圖 2 實驗臺和測量裝置因此要測平板上氣流邊界層速度分布，只需要測出沿平板法線（y）上各點氣流總壓值即可。實驗時，采用多管傾斜壓力計進行壓強測量，見示意圖3。圖 3 傾斜式多管液柱差壓計這樣邊界層各測點處的氣流速度值為：ui2li sin式中，w多管傾斜壓力計所使用的水液重度li 各測點總壓管與外界大氣壓的液柱高度差空氣的密度（實驗時依據(jù)當時室溫和大氣壓計算得出）多管傾斜壓力計的傾角五、實驗測量步驟本實驗測量3 個斷面的速度分布。斷面位置大致為x=150mm ，200mm ，250mm。實驗風速大小依靠調(diào)速電機電壓來實現(xiàn)，電機應按規(guī)定操作，不要亂摸亂

7、動，防止觸電。（ 1）觀察實驗裝置，了解各種部件構(gòu)造和作用。旋轉(zhuǎn)千分尺旋鈕，千分尺移動順暢。熟悉千分尺讀數(shù)，旋鈕每轉(zhuǎn)一格，畢托管位移0.01mm。（ 2）松開固定平板的螺絲， 移動平板， 使畢托管管口與平板前端口的距離約為并記下實際測出的距離數(shù)。150mm，（ 3）將傾斜液柱多管微壓計的測壓管調(diào)到適當角度，通常在30° 50°圍某個角度 即可。 若有氣泡，將氣泡吸出。檢查多管壓力計液柱高低基準，熟悉其上游標卡尺讀取液柱高度值方法。（ 4）填寫有關實驗常數(shù)于表1 中。（ 5）打開實驗臺桌面的方形孔蓋和底板圓形孔蓋，啟動風機使電壓達到120V-150V 某個值， 穩(wěn)定 2 分鐘

8、， 記下電壓值于表1 中，實驗中保持此電壓值不變。注意傳壓軟皮管接口不能漏氣。（ 6）輕輕移動畢托管，當畢托管抵達平板，確認千分尺的起始讀數(shù)，并填入表2 中。（ 7）第一點測量結(jié)束后，移動畢托管，進行下一個點的測量。在最初的幾個測點，測點間距約為0.030.05mm ；隨離平板變遠，測點間距可逐漸增加為 0.10.5mm ；當發(fā)現(xiàn)連續(xù)三個測點其傾斜測壓管的讀數(shù)基本不再變化時，即認為測量位置已達層外勢流區(qū)，本斷面測量結(jié)束， 并將這三點流速值的平均值近似作為層外勢流的流速值 u0。測量中，按表2 規(guī)定的容分別填寫記錄相關數(shù)據(jù)。（ 8）移動平板，對新的斷面用以上方法進行測量，將實驗數(shù)據(jù)填寫于表2 中

9、。（ 9）三個斷面的測量全部結(jié)束后，關閉風機，整理臺面，結(jié)束實驗。六、實驗記錄和數(shù)據(jù)處理表實驗記錄和數(shù)據(jù)處理表見表1和表 2。表1實驗條件常數(shù)記錄表大氣溫度(溫度計大氣壓強（氣壓計氣 流密度（計 算氣流粘性系數(shù)讀數(shù) )（）讀數(shù)）（ Pa）值）（ kg /m3)（ Pa.s)用平板光面測壓管水液體測壓管傾斜風機電壓值實驗或用粗糙面重度角度（°）（ V）條件W （N/m 3 ）常數(shù)1000 ×9.81設備名稱，小型多功能氣動力學實驗臺，臺號。臺號表 2實驗數(shù)據(jù)和處理記錄表測千分各測點千各測點距板總壓對應的大氣壓對讀 數(shù) 差測點速度量尺初分尺讀數(shù)面的高度距測壓管讀數(shù)應的測壓li計 算 值截讀數(shù)y, i離 y i=l0管讀數(shù)（）uii面y ,chu( )(y ,i-y ,chu )（）l a(m/s)位( )+0.15（）置( )x( )七、 實驗報告要求按時按要求提交實驗報告，用A4 紙并有封面，正文容要求為：（ 1） 寫出實驗目的。（ 2） 寫出實驗裝置與測量原理。（ 3） 給出實驗原始記錄及數(shù)據(jù)處理結(jié)果， 在坐標紙上畫出速度分布曲線 （類似圖