平板边界层实验

1平板边界层实验（一）（一）实验目的1．测定平板边界层内的流速分布，从而确定流速分布指数规律、边界层名义厚度、位移厚度1、动量厚度2、能量厚度3。2．掌握毕托管和测压计的测速原理和量测技能。（二）DQS系列空气动力学多功能实验装置：该装置相当于小型风洞，为组装式结构。由主机和多种易更换实验段组成，流量可以控制。风机提供气流，在压出段设有流量调节阀门，气流通过风道进稳压箱流速减慢进入阻尼网，阻尼网由二层细密钢丝网构成，可将流体较大尺度的旋涡破碎，使气流均匀地进入收缩段，经过收缩段可将收缩段进口的速度不均匀度缩小n2倍，n为收缩比，本收缩段的收缩比较大。收缩曲线应用波兰人维托辛斯基曲线。收缩段出口接各种实验段，实验排放的气流由实验台面的孔口进吸音箱回到风机入口，如图1所示。多管测压计，设有可改变角度的测压排管及调平设置，当测某点压强时取与大气连通的测压管与该点测压管的读数差，即为测点的压强水头，如图2所示。1.稳压箱1.测压管2.收缩段2.角度盘3.风道3.支架4.调节阀门4.联通管5.通风机5.输液管6.吸音箱6.酒精库7.阻尼网7.通气管图1图2（三）实验段简图稳压箱内的气流经过阻尼网及收缩段均匀进入实验段，在实验段轴心位置安装一块一面光滑一面粗糙的平板，平板可沿轴线滑动，在实验段的出口装有精致的鸭咀形毕托管，其2头部厚度仅有0.3㎜,并配有千分卡尺，灯光显示设置和多管测压计，见图1-1。（三）实验原理及计算式1．平板紊流边界层的流速分布实际流体因存在粘性，紧贴壁面的流体将粘附于固体表面，其相对速度为零，沿壁面法向随着与壁面距离的增加，流体的速度逐渐增大，当距离为时，其速度达到未受扰动的主流流速u，这个厚度为的薄层称为边界层，通常规定从壁面到uux99.0处的距离作为边界层的厚度。边界层的厚度沿平板长度方向是顺流渐增的，在平板迎流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，判别过渡位置的特征值是雷诺数xRe，如图1-2所示。若量测断面坐标为x，则该断面xRe为xuxRe(本装置用0u代表u)(1－1)其中为空气运动粘滞系数，为动力粘滞系数，为空气密度。nTT0015.2880T°Ｋ时，250/·10789.1mSNK℃tT15.273/90°K＜T＜300°K时，n取8/9，代入2985/·15.28810789.1mSNKT紊流边界层内的流速分布用指数律表示为图1-1nxyuu10(1－2)式(1－1)、(1－2)中3x量测断面纵向坐标y量测点的横向坐标xu测点流速量测断面x处的边界层厚度（即099.0uux处的y值）图1－20u量测断面x处的边界层外主流流速通过对该断面流速分布的量测，以及对实验数据的处理，并绘制双对数图，可确定指数n值的大小。根据资料介绍xRe为510时，其光滑壁面的n值约为7。可根据n值计算1、2、3。亦可在已知速度剖面的条件下计算各种厚度，二者的计算式分别为：边界层位移厚度1n11(1－3)dyuux0011(1－3)’边界层动量损失厚度2nnn212　(1－4)dyuuuuxx00021(1－4)’边界层能量损失厚度3nnn3123　(1－5)dyuuuuxx0202031(1－5)’2．毕托管与多管测压计的测速原理根据元流能量方程，毕托管处的驻点压强0P为gupPxaa220(1－6)a为空气容重，αp为大气压强，测点流速为4axppguα02(1－7)0p用测压计测定，根据静压基本方程0p为hppe0(1－8)e为测压管内流体的容重，h为垂直的液柱高，即大气连通测压管与测点测压管的读数差，当测压排管与垂线的夹角为时。h值为cos1h,(1h为测压计斜管读数),其αcos10hppe，代入式(1－7)αcos21hguaex(1－9)式(1－9)中，gaα2/8.9smg3/mNRTpα3/mkg(1－10)式(1－10)中p为大气压。1㎜Hg=133.322/mNR为气体常数KKgJR·/063.287(焦耳/千克·绝对温度)T为绝对温度值K℃tT15.273（四）实验步骤1．按图1-1所示装好实验段。调多管测压计底座使其水平，调酒精库使管液位在160㎜左右，排管与垂线夹角10。酒精库内液位在管子的中部，取走实验台面的活动板。将指示灯电线一端接到实验板上，另一端接到毕托管上。顺时针旋转千分尺使毕托管向实验板靠近，一定要缓慢旋转，以免碰坏毕托管，当指示灯发出微光时停止旋转（注意不要将毕托管与实验板顶得太紧），此点为第二个测点，其y值为毕托管头部厚度的一半即㎜y15.0，第一个测点为实验板壁面0y。将指示灯的二根电线移出实验段，以免干扰气流。2．接通电源，慢慢打开调节阀门至最大开度，待测压管液位不再变化时，读毕托管及与大气连通测压管的读数，取液位波动的平均值并记录。逆时针旋转千分尺，使毕托管离开实验板，每转一格其间距为0.01㎜，前5个测点的间距取3格。其后的3个测点的间距取5格，后面的测点间距可放大到15格、30格、50格等。测点总数在20个左右，记录千分卡5尺旋转距离和对应的测压管读数1h值，当测压管读数1h值不再继续变化时，即达主流区，其流速为0u，计算出099.0uux处的测压计读数'h，（'h测点的y值即为边界层的厚度)。再顺时针慢慢旋转千分卡尺并仔细观察测压计，当其读数1h等于'h时停止旋转，在顺时针旋千分尺时一定要慢旋并记录旋转的圈数，用逆时针旋转的圈数扣除顺时针旋转的圈数。其y值即为该断面边界层的厚度。尚可测量不同断面不同流量时的边界层厚度，即下滑实验板，调小流量，实验方法相同。3．记录有关常数，测量温度及大气压。4．注意事项整个实验过程不得干扰气流，如用手阻止气流，记录纸进入实验台面的孔口，移动调节阀门等。实验完毕断电停风。（五）实验记录1．常数设备编号测压管与垂线的夹角α°毕托管头部宽度3.0b㎜空气温度t℃大气压力表读数㎜Hg通大气测压管读数㎜2．记录表项目序号千分尺旋转格数距实验板距离y㎜测压管读数㎜usm//y0/uu001uuuu20201uuuux1。。25（六）成果要求（仅供参考）1．绘制0lguu与ylg的关系曲线，确定指数n值。注意连线要分段，用式(1-3)、式(1-4)、式(1-5)式计算边界层的各种厚度。2．绘制y与0uu、001uuuu、20201uuuux三条关系曲线，用式(1-3)’、式(1-4)’、式(1-5)’计算边界层的各种厚度，以上要求仅供参考，各校可根据自己的教学内容确定。6