平板流动粘性附面层测定实验指导书

低速气流平板边界层速度分布测量实验指导书低速气流平板边界层速度分布测量实验指导书 郑州航空工业管理学院航空工程实验中心 一 实验目的一 实验目的 1 测量低速气流在平板上形成的边界层速度分布 加深认识气流的粘性特征和粘性作 用强弱范围 2 熟悉皮托管结构 掌握其测速方法 3 熟悉倾斜测压计结构 掌握其测压方法 能够正确使用千分尺 二 实验通用规范二 实验通用规范 1 按时按地点参加实验 实验分组进行 爱护实验室实验仪器和设备 不准碰撞或任 意移动仪器或设备 不许乱跑乱动和大声喧哗 2 实验前 各组学生必须认真预习 阅读实验指导书和教材 书籍等有关资料 了解 实验目的 原理方法 操作步骤及注意事项 3 实验开始前 服从实验指导教师的安排 认真听讲 仔细了解实验设备和仪器的操 作方法和注意事项 确定组长及组内人员实验分工 4 实验中 严格按照相应实验操作规程 集中精力 有条不紊 认真操作 如实观察 和记录各种实验数据和有关实验现象 初步进行一定数据处理和分析 5 实验过程 如出现异常情况 应及时向指导教师汇报 6 实验后 实验记录数据交指导教师检查 并按要求将实验仪器设备装置复位 7 在规定时间内 按要求编写完成并上交实验报告 注意报告除原始记录数据外 实 验数据的处理和分析等内容不得相互抄袭 三 平板流体边界层概念三 平板流体边界层概念 当匀直气流 u0流向平板时 由于粘性作用使紧贴平板表面处的流速为零 离开板面 速度逐渐增大 最后恢复到相当于无粘势流的速度 对平板来说即等于前方来流的速度 u0 了 见图 1 由于空气粘性很小 只要来流速度不是很小时 流速变化大的区域只局限在 靠近板面很薄的气流层内 层中粘性切应力对流动影响不能忽略 这一薄层气流通常叫作 边界层或附面层气流 自板面起沿着它的法线方向 至达到 99 无粘流速度 u0处的距离 人为规定为边界层厚度 图图 1 平板流动边界层平板流动边界层 增加来流势流的湍流度或板面的粗糙度 将会改变板面上边界层的形成和分布特性 对于沿光滑平板迎角为零的紊流边界层 其速度分布与法向坐标 y 的经验关系之一为 71 0 y u y u 由此得出的边界层厚度结果是 51 0 370 xu x 当空气运动粘度时 在 x 0 2m u0 30m s 情况下 计算出边界层厚度 6 1015 5mm 可见气流边界层一般是很薄的 四 实验装置与测量原理四 实验装置与测量原理 边界层实验是在小型多功能气动力学实验台上进行的 图 2 是实验台和边界层测量装 置示意 经风机加功增压后 气流进入稳压箱 经收缩段流入实验段 沿实验段中心轴线 上 安装一块实验平板 实验段侧面固定装有毕托管 此毕托管可沿水平方向移动 位移 量用千分尺测量 借此可测量不同 y 坐标的边界层速度 u y 平板可以沿着实验段的滑槽 移动 从而改变毕托管口与平板起端的距离 x 借此可以测量若干个断面的边界层速度分 布 边界层毕托管口为鸭嘴形扁平口 其宽度约为 0 3mm 毕托管口中心与平板的距离用 千分尺测量 方法是 慢慢转动千分尺的旋钮 使毕托管慢慢靠近平板 当毕托管的管口抵达平板时 此时 千分尺读数为起始读数 这时毕托管管口中心与平板的距离约为 0 15mm 当移动毕托管 到新位置时 记下千分尺的读数 此读数与起始读数相减 再加上 0 15mm 就得到毕托 管口中心与平板的距离 注意 千分尺读数精度为 0 01mm 千分尺旋钮每转一格 毕托 管移动 0 01mm 旋钮旋转一圈 毕托管移动 0 5mm 毕托管实际上是一根 L 形总压管 以测量气流的总压值 p0 因边界层气流测量处已暴 露于周围大气中 此处压强值近似保持为当地大气压值 pa 在不可压低速流场中 每一点 处的气流总压 P0i等于该点处的静压和动压 之和 这样用毕托管测定各点的流速的 2 2 1 i u 计算式可写为 a ppu ii 0 2 图图 2 实验台和测量装置实验台和测量装置 因此要测平板上气流边界层速度分布 只需要测出沿平板法线 y 上各点气流总压值 即可 实验时 采用多管倾斜压力计进行压强测量 见示意图 3 图图 3 倾斜式多管液柱差压计倾斜式多管液柱差压计 这样边界层内各测点处的气流速度值为 sin 2 ii lu 式中 多管倾斜压力计所使用的水液重度 w 各测点总压管与外界大气压的液柱高度差 i l 空气的密度 实验时依据当时室温和大气压计算得出 多管倾斜压力计的倾角 五 实验测量步骤五 实验测量步骤 本实验测量 3 个断面的速度分布 断面位置大致为 x 150mm 200mm 250mm 实 验风速大小依靠调速电机电压来实现 电机应按规定操作 不要乱摸乱动 防止触电 1 观察实验装置 了解各种部件构造和作用 旋转千分尺旋钮 千分尺移动顺畅 熟悉千分尺读数 旋钮每转一格 毕托管位移 0 01mm 2 松开固定平板的螺丝 移动平板 使毕托管管口与平板前端口的距离约为 150mm 并记下实际测出的距离数 3 将倾斜液柱多管微压计的测压管调到适当角度 通常在 30 50 范围内某个 角度 即可 若有气泡 将气泡吸出 检查多管压力计液柱高低基准 熟悉其上游标卡 尺读取液柱高度值方法 4 填写有关实验常数于表 1 中 5 打开实验台桌面的方形孔盖和底板圆形孔盖 启动风机使电压达到 120V 150V 某 个值 稳定 2 分钟 记下电压值于表 1 中 实验中保持此电压值不变 注意传压软皮管接 口不能漏气 6 轻轻移动毕托管 当毕托管抵达平板 确认千分尺的起始读数 并填入表 2 中 7 第一点测量结束后 移动毕托管 进行下一个点的测量 在最初的几个测点 测点间距约为 0 03 0 05mm 随离平板变远 测点间距可逐渐增 加为 0 1 0 5mm 当发现连续三个测点其倾斜测压管的读数基本不再变化时 即认为测量 位置已达层外势流区 本断面测量结束 并将这三点流速值的平均值近似作为层外势流的 流速值 u0 测量中 按表 2 规定的内容分别填写记录相关数据 8 移动平板 对新的断面用以上方法进行测量 将实验数据填写于表 2 中 9 三个断面的测量全部结束后 关闭风机 整理台面 结束实验 六 实验记录和数据处理表 实验记录和数据处理表见表 1 和表 2 表表 1 实验条件常数记录表实验条件常数记录表 大气温度 温度计 读数 大气压强 气压计 读数 Pa 气流密度 计算值 3 mkg 气流粘性系数 sPa 用平板光面 或用粗糙面 测压管水液体 重度 W N m3 测压管倾斜 角度 风机电压值 V 实验实验 条件条件 常数常数 1000 9 81 设备设备名称 名称 台号台号 小型多功能气动力学实验台 台号 表表 2 实验数据和处理记录表实验数据和处理记录表 测 量 截 面 位 置 x 千分 尺初 读数 y chu 各测点千 分尺读数 y i 各测点距板 面的高度距 离 yi y i y chu 0 15 总压对应的 测压管读数 0 l 大气压对 应的测压 管读数 a l 读数差 i l 测点速度 计算值 i m s i u 七 七 实验报告要求实验报告要求 按时按要求提交实验报告 用 A4 纸并有封面 正文内容要求为 1 写出实验目的 2 写出实验装置与测量原理 3 给出实验原始记录及数据处理结果 在坐标纸上画出速度分布曲线 类似图 4 计算三个测量截面的特征雷诺数 对实验