平板边界层测试实验.pdf

3 15 平板边界层测试实验平板边界层测试实验 一 实验目的 1 通过测定平板边界层内的流速剖面加深对边界层概念的认识 2 计算边界层厚度 位移厚度 动量厚度 2 掌握总压管和微压计测压技术和测速原理 二 实验原理 1 壁面流动边界层 当实际流体以较大的速度U沿物体壁面流动时 壁面上满足不滑移条件 在壁面附近 垂直方向来流速度从UV 迅速跌落为零 形成速度梯度较大的剪切薄层 称为边界层 实 验气体绕平板作定常流动时 边界层沿流动方向的变化如图 1 所示 边界层沿平板逐渐 增厚 开始是层流 经过一段时间后转变成湍流 流态转变由当地雷诺数Rex决定 图一 平板边界层示意图 Rex Ux 1 式中x为从平板前缘点算起的距离 为流体运动粘度 转捩雷诺数由多种因素决定 如来流湍流度 壁面粗糙度等 因此转换雷诺数值有一定 的范围 平板边界层转捩的下临界雷诺数约为 5 Re3 2 10 x cr 2 边界层厚度定义 习惯上 边界层厚度定义为边界层外边界流速达到来流速度的 99 时的厚度 这是带 有人为因素的概念 称为名义厚度 较为客观的厚度概念有位移厚度 和动量厚度 定 义如下 0 1 d u y U 2 0 1 d uu y UU 3 式中为边界层内速度分布函数 u y 如 果 测 得 了 边 界 层 的 速 度 分 布 曲 线 就 可 以 分 别 画 出 u y 1 u y U 和 1 uu y UU 曲线 并能计算曲线下面的面积 即 2 3 式的积分值 从而得到 和 值 3 几种厚度的理论计算值 为了与实测值进行比较 几种厚度理论公式介绍如下 推导过程省略 层流边界层 布拉修斯解 5 0 Rexx 4 1 721 Rexx 5 0 664 Rexx 6 湍流边界层 湍流边界层尚无通用的理论解 对沿光滑平壁的湍流边界层 流速分布可表示成幂函数 形式 1 n uy U 7 常取 取时湍流边界层厚度公式为 58n 7n 3 4 10Re3 2 10 6 5 0 37 R e x x 8 5 0 046 Rexx 9 5 0 036 Rexx 10 三 实验设备简介 实验装置如下图所示 1 2 3 4 5 1 收缩段 2 平板 3 实验段 4 螺旋测微器 5 总压管 气体由风机吹入稳压箱 经收缩段后进入实验段 在实验段中心轴线位置安装一铝质 平板 长 L 300mm 一面光滑一面粗糙 平板能沿轴线上下移动 以便选择不同的测量截 面 在实验段出口装有一小型总压管 连接一个螺旋测微器 用以调节总压管的横向位置 将总压管接触到平板时的位置作为测量的起始点 此时指示灯发亮 四 实验步骤 1 调节水平泡 使微压计处于水平 固定斜管的倾斜位置 调整零位调节阀使斜管液面指 零 并使总压管与微压计多项接头的 接通 2 检查实验平板位置是否与实验段轴线重合 3 测量并记录空气温度和大气压 及其相应的实验平板长度 L 总压管管口高度 b 总压 管修正系数 微压计常数因子 K 4 将指示灯电线的一端接到实验板上 另一端接到总压管上 顺时针转动螺旋测微器使总 压管与平板接触 此时指示灯会发亮 接近板时要小心 以免损坏总压管 并记录相应螺旋 测微器读数 作为初始坐标值 0 y 5 接通电源 取走实验台上的活动板 开启风道中的调节阀到最大位置 流动稳定后 记 录测点的微压计读数 h 6 逆时针旋转螺旋测微器提高测点位置 每转一圈增加 0 5mm 每一格则增加 0 01mm 靠近平板的区域布点要密 间距为0 02 0 03mm 随纵坐标y的增加 间距可逐渐增加为0 05 0 3 甚至 1mm 直到微压计读数基本保持不变 说明已到达外流区 在外流区中任意测三点 流速取平均值 作为外流流速 每测一点记录纵坐标值 0 V y 及相应的微压计读数 各h 点距平板的距离为 2 0 b yyy 6 如测量平板边界层厚度的变化 即 随 x 的变化规律 可移动实验板的位置 使总压管 位于不同的 x 值处 用同样方法测量 五 实验要求与成果分析 1 记录有关常数 将测得值和 y h 记录在表格中 2 根据测量计算 如果是层流边界层还计算 1 u u U uu UU y U vx 湍流 边界层计算 y 3 绘制以y为纵坐标 以 1 u U uu UU 为横坐标的关系图 借助计算机求出 并与理论值作比较 4 层流边界层绘制以为 u U 为纵坐标 以 为横坐标的关系图 在此图上绘出实测曲线 并与布拉修斯理论曲线比较 5 湍流边界层用双对数纸绘制以 y 为纵坐标 以为横坐标的关系图 从而可以看出 其速度分布的幂函数规律 并且求出幂次 n 值 u U 六 数据记录 1 有关常数 大气压强 a p 空气温度 T 总压管修正系数 空气粘度 空气密度 总压管头部高度 b 空气运动粘度 压力计修正系数 K 压力计常数因子 n 平板长度 L 2 数据记录表