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郑州航空工业管理学院航空工程实验中心一、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（3）。图1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:u(y)=uoC)7由此得出的边界层厚度结果是：J/5V二0.37xlUoX丿当空气运动粘度订=1510-6时，在x=0.2m、uo=3Om/s情况下，计算出边界层厚度8=5mm，可见气流边界层一般是很薄的。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p。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12的气流总压Poi等于该点处的静压和动压Ui之和，这样用毕托管测定各点的流速的计2算式可写为：-位移千分尺=dJ毕托管穗压箱1C平板边畀层实验装置图2实验台和测量装置y）上各点气流总压值图3倾斜式多管液柱差压计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（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。这样边界层内各测点处的气流速度值为:Uij-lisin式中，w多管倾斜压力计所使用的水液重度Mi各测点总压管与外界大气压的液柱高度差一一空气的密度(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0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。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。(5) 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。(6) 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0.030.05mm;随离平板变远，测点间距可逐渐增加为0.10.5mm;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U。测量中，按表2规定的内容分别填写记录相关数据。(7) 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。(8) 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1实验条件常数记录表大气温度（温度计大气压强（气压计气流密度（计算气流粘性系数读数）（C）读数）（Pa）值)P(kg/m3)卩(Pa.s)用平板光面测压管水液体测压管倾斜风机电压值实验或用粗糙面重度角度0（）(V)条件YW(N/m3)常数1000881设备名称，小型多功能气动力学实验台，台号。台号表2实验数据和处理记录表测千分各测点千各测点距板总压对应的大气压对读数差测点速度量尺初分尺读数面的高度距测压管读数应的测压计算值截读数y，i离yi=l0管读数()Uii(m/s)面y,chu（伽）(y,i-y,chu)（伽）la位（伽）+0.15()置(伽)x何）七、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Re二-UX，对实验结果及测量误差进行讨论分析。耐图4平板边界层气流速度分布示意图八、参考资料（1）工程流体力学实验，莫乃榕编著，华中科大出版社，2008年版（2）流体力学实验指导书，北京航空航天大学，2007年汇编（3）流体力学实验指导书，上海交通大学，2010年汇编