《流体力学》实验教案全.docx
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《流体力学》实验教案全
《流体力学》实验教案(全)
(一)不可压缩流体定常流能量方程(伯努利方程)实验
一、实验目的要求:
1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术;
2、验证流体定常流的能量方程;
3、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研究,进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性。
二、实验装置:
11
12
自循环伯努利方程实验装置图
本实验的装置如图所示,图中:
1.自循环供水器;2.实验台;3.可控硅无级调速器;4.溢流板;5.稳水孔板;6.恒压水箱;7.测压计;8.滑动测量尺;9.测压管;10.实验管道;11.测压点;12.毕托管13.实验流量调节阀。
三、实验原理:
在实验管路中沿水流方向取n个过水截面。
可以列出进口截面
(1)至截面(i)的能量方程式(i=2,3,.....,,n)
选好基准面,从已设置的各截面的测压管中读出
值,测出通过管路的流量,即可计算出截面平均流速ν及动压
,从而可得到各截面测管水头和总水头。
四、实验方法与步骤:
1、熟悉实验设备,分清各测压管与各测压点,毕托管测点的对应关系。
2、打开开关供水,使水箱充水,待水箱溢流后,检查泄水阀关闭时所有测压管水面是否齐平,若不平则进行排气调平(开关几次)。
3、打开阀13,观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系,观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。
4、调节阀13开度,待流量稳定后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量(与毕托管相连通的是演示用,不必测记读数)。
5、再调节阀13开度1~2次,其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限,按第4步重复测量。
五、实验结果及要求:
1、把有关常数记入表2.1。
2、量测(
)并记入表2.2。
3、计算流速水头和总水头。
4、绘制上述结果中最大流量下的总水头线和测压管水头线(轴向尺寸参见图2.2,总水头线和测压管水头线可以绘在图2.2上)。
六、结果分析及讨论:
1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?
为什么?
2、流量增加,测压管水头线有何变化?
为什么?
3、测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题?
4、试问避免喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术措施?
分析改变作用水头(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压强的影响情况。
5、由毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异,试分析其原因。
表2.1有关常数计录表水箱液面高程
_______cm,上管道轴线高程
________cm.
测点
编号
2
3
4
5
7
9
10
11
13
15
17
19
管径cm
1.37
1.37
1.37
1.37
1.03
1.37
1.37
1.37
1.37
2.00
1.37
两点
间距cm
4
4
6
6
4
13.5
6
10
29
16
16
注:
(1).打“*”者为毕托管测点(测点编号见图2.2)
(2).2、3为直管均匀流段同一断面上的二个测压点,10、11为弯管非均匀流段同一截面上的二个测点.
单位:
mm
图2
表2.2测记(
)数值表(基准面选在标尺的零点)
测点
编号
2
3
4
5
7
9
11
12
13
15
17
19
Q
实验
1
2
次数
3
表2.3计算数值表
(1)流速水头
管径d
Q=(
)
Q=(
)
Q=(
)
(cm)
A
(
)
V
(cm/s)
(cm)
A
(
)
V
(cm/s)
(cm)
A
(
)
V
(cm/s)
(cm)
(2)总水头(Z+p/ρg+v2/2g)
测点编号
Q
(cm2/s)
实验
1
2
次数
3
五、动量法测量机翼阻力
1实验目的:
(1)了解动量法测力的原理
(2)用动量法测量机翼的阻力。
(3)了解压力扫描测试仪工作原理和使用方法。
2实验装置:
图1风洞示意图
图2机翼阻力测量示意图
(1)机翼模型:
在二维小风洞侧壁上安装一个NACA0012机翼模型(如图)。
(2)风速管:
用于测量气流速度和压力。
(3)坐标架:
安装在风洞外部,用于调节风速管位置。
(4)压力扫描测试仪:
用于测量压差。
压差显示拨盘
测压导管连接端子群
指示数字与拨盘一一对应。
本实验中,风速管1的总压孔接1端,静压孔接2端,风速管2的总压孔接3端,静压孔接4端。
3实验准备:
(1)安装机翼,调整好攻角。
安装风速管,使其对准气流方向;
(2)将风速管总、静压孔分别与压力扫描测试仪相连;
(3)记录当天大气压、温度和电源频率值。
4实验步骤:
(1)记录机翼下游II—II截面离机翼距离。
(以机翼后缘为基准)
(2)测来流速度:
将风速管1的总、静压接头分别和压力扫描测试仪的1、2点连接,分别测得P01和P1的值。
此时测得的压力值为相对于大气静压值(注意压力扫描测试仪的初始读数,对测量值加以修正)。
(3)测机翼下游压力分布:
将风速管2的总、静压接头分别和压力扫描测试仪的3、4点连接,在II—II截面内改变风速管位置,每间隔5mm测量一个点,记录数据。
分别测得P02和P2的值。
记录表中的Y(mm)可以用坐标架上的刻度值做参考。
(4)改变机翼攻角,按上述步骤进行。
每组测量三个攻角。
(5)检查实验数据,确认无误后,风洞停车。
(6)整理实验数据,按照要求完成实验报告。
5数据处理:
(1)计算气流速度、Re数
(2)用动量法计算机翼阻力
(3)画出机翼尾流速度分布曲线
6实验报告(自行设计表格和曲线)
姓名:
室温:
湿度:
大气压:
实验名称:
日期:
年月日
压力扫描仪初读数:
动量法测量机翼阻力
yi
(mm)
P02
(pa)
P2
(pa)
P02-P2
(pa)
V2
(m/s)
=°P01=(pa)P1=(pa)V1=(m/s)
=°P01=(pa)P1=(pa)V1=(m/s)
=°P01=(pa)P1=(pa)V1=(m/s)
攻角
Po1-P1
P02-P2
P02-P1
CD
Re
(°)
(pa)
(pa)
(pa)
风速管校准
一、实验目的
1、学习使用风速管测量气流速度的方法。
2、学习校准风速管的方法,求出待校风速管的系数。
3、学习用最小二乘法处理数据。
二、实验设备
低速风洞一座,标准风速管一支,待较风速管一支,压力扫描测试仪一台。
压力扫描仪结构示意图
三、实验原理
风速管是测量气流速度的常用仪器,它上面有总压孔和静压孔(见讲义)。
根据不可压缩伯努利方程:
P0=P-1/2ρV2
(1)
只要测出总压和静压之差P0-P,就可以算出气流速度V0,但是由于风速管在制作时有误差,使得用风速管测出的速度和用伯努利方程算出的风速有一定偏差。
因此,需引入修正系数ξ,计算风速的公式
(1)变为:
(2)
ρ为气体密度,可以用当时大气压强和室温计算。
风速管的总压孔和静压孔通过导管与压力扫描测试仪的两个接头相连。
压力差P0-P通过压力扫描测试仪直接读出,单位为Pa。
公式
(2)变为:
(3)
每支风速管都有不同的修正系数,必须通过校准得出修正系数。
具体做法是用一支标准风速管(已知修正系数)与另一支待校风速管同时安装在低速风洞实验段的流场中。
在每一个风速下同时测出两支风速管的压差读数。
改变风速,可得出一组数据,再用最小二乘法拟合这组数据,可求出待校风速管的校准系数。
(见讲义)
四、实验步骤
1、实验前制定实验步骤,确定数据处理的方法。
2、在教师指导下把风速管安装低速风洞实验段内,风速管总压孔应对准来流方向,不得偏斜。
3、用导管连接风速管和压力扫描测试仪,注意检查导管,不得有破漏或堵塞。
注意压力扫描测试仪的初始读数。
测压管连接方法:
a、将风速管两静压头通过三通与压力变送器静压接头连接(压力扫描仪0号接头)。
b、将标准风速管总压接头与压力变送器总压接头连接(压力扫描仪1号接头),将待校风速管总压接头也与压力变送器总压接头连接(压力扫描仪2号接头)。
也可以选用其他接头。
两者之间的切换通过转动拨盘来实现。
4、启动风洞,设定变频器频率(不小于20HZ为宜)。
5、压力扫描测试仪拨盘指针指向正确位置(与具体导管连接位置有关)记录标准风速管的读数,改变压力扫描测试仪拨盘指针位置,再记录待校风速管的读数。
6、改变风速(电压频率),重复步骤5,记下10-15组数据。
7、关闭风洞,记录大气压强和室内温度。
8、整理仪器,实验数据交老师签字后离开实验室。
五、实验报告要求
1、每人做实验报告一份,实验数据附后。
2、实验报告包括下述内容:
a、实验名称、目的、原理和步骤。
b、数据处理方法、过程和校准曲线。
c、给出校准系数和校准系数的误差,注明实验时变频器显示的电压频率和对应的风速变化范围。
六、思考题
1、公式(3)中的常数R空气是多少?
是如何得出的?
如果实验气体是氮气,R是多少?
2、你在用最小二乘法计算风速管系数时已经采取了什么假设?
如果认为标准风速管和待校风速管的误差相同,你能否提出一种处理数据的最小二乘法。
3、你在用最小二乘法处理数据时采用的是y=ax+b,还是y=ax,为什么?
四、激波管内压力测量实验
1实验目的:
(4)学习激波管工作原理。
(5)学习用压电传感器测量激波管内瞬态压力的方法。
(6)学习数据采集和处理。
2实验装置:
图1激波管装置和压力测量示意图
(1)激波管
(2)膜片:
涤纶膜。
(3)压电传感器:
用于测量压力。
(4)电荷放大器,示波器,微机
激波测压仪表设置
(供参考)
测速传感器(陶瓷晶体)CY-YD-203T
编号
1726
压力-电荷灵敏度
1550Pc/105Pa
压力范围
0.1~100105Pa
绝缘阻抗
1010Ω
KD5002电荷放大器
灵敏度
1000
量程
30
下限频率
0.3
上限频率
100
TDS210示波器
通道
CH1
采样幅值(Y轴)
2v/格
采样时间(X轴)
2.5ms/格
触发方式
单次触发,
耦合
直流
注1:
触发通道可以选CH1,也可以选CH2
注2:
触发电平根据信号大小而定,但必需在信号幅度范围内
测压传感器(石英晶体)CY-YD-205
编号
586
压力-电荷灵敏度
10.57Pc/105Pa
压力范围
0~300105Pa
绝缘阻抗
1013Ω
YE5850电荷放大器
灵敏度
10
输出mv/Unit
100
下限频率
0.003
上限频率
100
TDS210示波器
通道
CH2
采样幅值(Y轴)
100mv/格
采样时间(X轴)
2.5ms/格
耦合
直流
激波波后压力的测量:
示波器2通道给出的压力曲线幅度大小直接反映了压力的大小,计算方法如下:
压力unit=YE5850输出电压mv/(100mv/unit)
分母为上表列出的YE5850电荷放大器输出量程mv/unit
3实验步骤:
1.在激波管高压段与低压段之间安装涤纶膜片;
2.压气机充压;
3.将传感器、电荷放大器、波形存储器、计算机等连接好,检查电荷放大器和示波器设置是否正确(见上表),可根据实验结果进行调整;注意调整波形存储器采样时间、采样幅值、触发方式、触发电平;
4.YE5850电荷放大器(工作/复位)开关置于工作状态,将示波器置于运行(Ready)状态,(按仪器右上角(运行/停止)按钮);
5.充气(先关闭放气阀,打开充气阀直到膜片破,然后关闭充气阀,打开放气阀);
6.观察波形存储器记录的波形。
如结果不理想,调整仪表设置后重新开始实验;
7.将示波曲线输入计算机,把压力曲线数据以电子表格格式存储以供数据分析用;使用抓图软件把曲线存为图片。
8.从曲线上读取激波从传感器位置1运动到传感器位置2所用的时间t。
用以计算激波速度;读取传感器2的输出电压值;
9.记录当天大气压和温度。
本实验低压段压力为1atm,高压段破膜压力约为2.5atm。
10.整理实验数据,按照要求完成实验报告。
4数据处理:
(1)显示测量的压力波形
自行编写软件,将实验数据转换为时间和压力值。
然后,以时间为横坐标,压力为纵坐标,将两条曲线表示出来。
并计算出激波速度Ws和激波马赫数Ms。
(2)与理论值比较
按讲义上激波管的计算公式计算激波速度和激波马赫数。
计算传感器处理想的压力波形,并和测量的曲线比较。
(3)与数值结果比较(选做)
根据理想一维不定常流方程组,选择一种差分格式,计算激波管内的压力分布以及传感器处的压力波形。
将计算结果与实验值、理论值比较。
5实验报告与讨论
温度
大气压
声速
低压段压力
高压段(破膜压力)
T=
P=
a=
P1=
P4=
实验测量结果
测量点间距
时间间隔
激波速度
激波马赫数
压力曲线电压
反射激波后压力
1010mm
△t=
WS=
MS=
V=
P5=
理论计算(已知P1=P4=a=)
激波速度
激波马赫数
入射激波后压力
反射激波后压力
WS=
MS=
P2=
P5=
(二)雷诺管实验
一、实验目的要求:
1、通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析,掌握圆管流态转化规律;
2、进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性;
3、学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法,并了解其实用意义。
二、实验装置:
自循环雷诺实验装置图
本实验的装置如所示,图中:
1.自循环供水器;2.实验台;3.可控硅无级调器;4.恒压水箱;5.有色指示水供给箱;6.稳水孔板;7.溢流板;8.实验管道;9.实验流量调节阀。
三、实验原理:
;
其中:
Q流量;V水体积;T时间;K系数。
四、实验方法与步骤:
1、测记本实验的有关常数。
2、观测两种流态:
打开开关3使水箱充水至溢流水位,经稳定后,微微开启调节阀9,并注入颜色水于实验管内,使颜色水流成一直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态,然后逐步开大调节阀,通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征,待管中出现完全湍流后,再逐步关小调节阀,观察由湍流转变为层流的水力特征。
3、测定下临界雷诺数:
(1)将调节阀打开,使管中呈完全湍流,再逐步关小调节阀使流量减小。
当流量调节到使颜色水在全管刚刚拉成一直线状态时,即为下临界状态。
每调节阀门一次,均需等待稳定几分钟。
(2)待管中出现临界状态时,用体积法测定流量。
(3)根据所测流量计算下临界雷诺数。
(4)重新打开调节阀,使其形成完全湍流,按照上述步骤重复测量不少于三次。
(5)同时由水箱中的温度计测记水温,从而查得水的运动粘度。
注意:
流量不可开得过大,以免引起水箱中的水体紊动,若因水箱中水体紊动而干扰进口水流时,需关闭阀门,静止3-5分钟,再按步骤
(1)重复进行。
4、测定上临界雷诺数:
逐渐开启调节阀,使管中水流由层流过渡到湍流,当色水线刚开始散开时即为上临界状态,测定上临界雷诺数1-2次。
五、实验结果及要求:
1、记录计算有关常数:
管径d=1.37cm,水温t=
运动粘度
计算常数K=
2、记录计算表格
表5.1
实验
次序
颜色水线
形态
水体积
V(
)
时间
T(s)
流量
Q(
)
雷诺数
阀门开度增(
)或减(
)
备注
注:
颜色水形态指:
(1)稳定直线,
(2)稳定略弯曲,(3)旋转,(4)断续,(5)直线抖动,(6)完全散开等。
六、实验分析与讨论:
1.流态判据为何采用无量纲参数,而不采用临界流速?
2.为何认为上临界雷诺数无实际意义,而采用下临界雷诺数作为层流与湍流的判据?
实测下临界雷诺数为多少?
3.雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320,而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000,原因何在?
4.试结合湍流机理实验的观察,分析由层流过渡到湍流的机理何在?
5.分析层流和湍流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?
二、平板边界层速度剖面测量
1实验目的:
了解平板边界层特性,学习测量平板边界层速度剖面的方法。
在离平板前缘不同位置处,测量平板边界层内速度分布,确定边界层厚度,并和理论值进行比较。
2实验装置:
图1实验装置示意图
图2平板边界层测量原理
(1)平板:
在三维小风洞中安装一块宽240毫米、长750毫米的尖前缘平板。
平板表面光滑,零攻角安装。
沿平板中线有若干静压孔(见上图)。
(2)总压管:
头部直径1毫米的总压管,用于测量边界层内总压分布。
总压管安装在坐标架上,总压管前端与静压孔齐平,小孔对准气流轴线且与平板平行。
(3)坐标架:
安装在风洞上方,用于调节总压管位置。
(4)压力扫描测试仪:
用于测量压差。
使用时需注意仪表初始读数,以便对测量值进行修正。
仪表拨盘位置与平板上测点相对应。
3实验步骤:
(1)安装好平板,并使其表面与风洞轴线平行。
安装好总压管,使其对准气流方向并与平板平行。
(2)将总压管、静压孔分别与压力扫描测试仪相连。
(3)记录当天大气压和温度和仪表初读数。
(4)将总压管降到刚好与平板表面接触(必须反复调整总压管数次,以求找到最佳位置)。
这时总压管中心离平板表面的高度为y1=h/2(h为总压管,外径=1mm),此时坐标架的位置高度应为0.5毫米。
(5)启动风洞,调整到设定风速(变频器频率植)。
记录仪表读数。
(6)上下移动坐标架,改变总压管位置,重复测量边界层内压力分布和总压管高度。
由于总压管较细、管道较长,压力平衡需要一定时间。
实验中要等到压力平衡后再读数。
总压管上下移动步长为1mm。
(7)重复步骤(6),直到压力计读数不再随总压管位置不同而改变为止。
这时表明总压管已经到达边界层外面。
由于接近边界层外边界时速度变化很小,所以必须再要往上移动总压管若干次,确认总压管已经到达边界层外部。
(8)改变总压管水平位置,同时转动压力扫描测试仪拨盘,使指针指向对应静压孔位置。
重复上述步骤,测量3-5个边界层速度剖面。
(9)风洞停车。
(10)整理实验数据,按照要求完成实验报告。
注:
将总压管处于边界层外均匀区时测得的P0-P对应的气流速度作为来流速度。
4数据处理:
(1)计算边界层内速度分布,速度边界层厚度。
由于边界层速度剖面是以无量纲形式画出的,不需要计算出每一点的速度,只要计算出相对速度就可以了。
设y处的速度uy为
边界层外缘的速度U为
其中p0为总压管测得的压力,p为静压孔测得的压力,(p0一p)y是边界层内测得的读数。
(p0一p)表示气流均匀区测得的读数,ρ为气体密度。
相对速度为
当uy/U=0.99时,总压管的高度就是该处平板边界层的厚度。
(2)计算边界层位移厚度及动量厚度.
边界层位移厚度定义是
边界层位移厚度可写为
以η为纵坐标,以u/U为横坐标作出实验曲线。
那么曲线下方的面积就是上式中的积分。
计算积分后,乘以边界层厚度就得到位移厚度。
边界层动量厚度定义是
以η为纵坐标,以u/U为横坐标作出实验曲线。
积分后算出动量厚度。
(3)计算理论值
Blasius解给出,层流边界层
湍流边界层(按1/7幂次速度剖面)
(4)实验报告要求
要求每个速度剖面列出实验条件、数据表格(自行设计)、速度剖面曲线、求出边界层厚度、边界层位移厚度和边界层动量厚度,并与理论值比较。
画出沿平板的层流边界层厚度曲线,并标出您的实验点位置。
姓名:
室温:
湿度:
大气压:
实验名称:
日期:
年月日
5实验报告
压力扫描仪初读数:
平板边界层
x=mm,p01-p=pa,V=m/s
序号i
高度y(mm)
压力p(pa)
速度v(m/s)
V/V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
x=mm,p01-p=pa,V=m/s
序号i
高度y(mm)
压力p
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