2015流体力学实验

实验一流体流速和流量的测量方法一、实验目的1．熟悉大气压力计、毕托管、热球式风速计的工作原理、结构和使用方法。

2．学会使用毕托管和热球式风速计测量矩形断面上的流速并计算流量。

3．掌握毕托管的校正方法，确定毕托管的校正系数。

二、实验原理1．流体流动时总的能量包括：静压能、动压能和位压能，对于不可压缩的理想流体，这三种能量之和为一常数。

当水平流动时，流体的位能保持不变，其静压能与动压能之和为常数，称为全压能。

即：P （静压能）＋（动压能）=P 0（全压能）（1－1）毕托管测量流速的原理就是根据式（1－1），通过测得流体的P 0（全压能） 和P （静压能）来算出流体速度的大小。

式（1－1）亦可写为：P 0－P =ρ22V 即：V =ρ－P P )(20（1－2） 式中：P 0——全压能，即全压力。

（2M N ） P ——静压能，即静压力。

（2MN）ρ——流体的密度（Kg/m 3）。

全压力和静压力通常用毕托管来测量，它实际上是由全压力管和静压力管组成的复合测量。

毕托管它由二个同心套管所构成，中心管头部敝开孔（全压孔），而侧面开有许多孔（静压孔），测量时，毕托管全压孔必须迎向气流方向（零夹角），把全压孔和静压孔用胶管分别接到压力计上，测得全压力与静压力的压差，其测量原理如图1－1。

实际上毕托管测得的为某点的速度，为了确保某截面上的平均速度，必须将该截面均分若干份（矩形截面上的测点位置如图1-2所示）。

测定各份的速度然后再求其平均值:V 均=n nF V ΣF i i i 1=（V 1+V 2……V n ）（1－3）当测得平均流速后，根据截面积F 的大小，即可求得流量：Q=V 均×F （1－4）2．全压力与静压力可用U 形管压力计或斜管压力计综合测得其差值（动压差值）。

用斜管压力计测压前首先调整其水平，即利用底盘上的调整螺丝，观察水准泡的位置，使其处于正中位置。

调整缸内液体酒精的高度，使通大气的液柱位置处于某个合适的刻度上(零刻度)，接上引压管，即可测得压力的大小，待其液柱稳定后，这时即可读数。

读数时按柱内液面的最低点为标准（若为水银时则读最高点）。

如果所测压力波动较大，则可在管路上加一段阻尼管（例如用一段玻璃毛细管连通，或用螺旋夹住，使流通面积减小，但不得夹死）。

由于毕托管的几何形状及制造工艺水平不同，使测得的动压力（P 0－P ）并非真正的实际动压力，因为严格说，测得的全压力是驻点附近的平均全压力，而不是驻点的全压力，同时静压力孔附近的流体静压力要受到毕托管头部形状的影响很难测得真正的静压力，故必须引入校正系数ξ，校正后的关系式如下：（P 0－P ）ξ=ρV 22（1－5） 式中：ξ——毕托管校正系数，一般其值大于1。

每支毕托管必须校正确定ξ值后才能使用。

结构良好的毕托管其值ξ接近于1。

在实验中利用已知校正系数ξ已值的标准毕托管，采用比较法来校正未知ξ未的实用毕托管。

校正时，把两只毕托管分别置于流场中同一点，通过测量值比较，算出被校正毕托管的ξ未值。

根椐：V=ρξ－P）（P 未未02 =未已已－P）（P ξ－P）（P 002由此得出：ξ未=未已已－P）（P ξ－P）（P 00式中：（P 0－P ）未——用未知ξ的毕托管测得的动压力。

（P 0－P ）已——用已知ξ的标准毕托管测得的动压力。

在不同的流速下，有不同的ξ未值，可以画出校正曲线，为了使用方便起见，亦可求其平均值来确定ξ未。

3．流体流过被电加热的球体表面时产生热量传输，使其温度降低，流速越大，传输的热量越多，在供热电流一定的情况下，被冷却的球体表面温度越低。

热球式风速计就是根据这个原理来测量流体的速度。

热球式风速计由热球式测量杆和测量仪表两部分构成，测量杆头部有一个直径约0.6毫米的玻璃球，球内绕有加热用的镍络丝和二个串联的热电偶，热电偶的冷端连接在磷铜质的支柱上，直接暴露在气流中，其温度与气流温度一致，当一定大小的电流通过镍铬丝加热后，玻璃球温度升高。

由于受到温度较低的气流通过而产生热量传输其温度发生改变，流速小升温高，反之流速大升温低，其流速值可直接由仪表上读出。

测量前，仔细阅读热球式风速计说明书。

三、实验设备1．流体力学综合实验装置系统，该系统包括：风机、空气流量计、蝶阀、三维坐标架、和U 形管压力计及实验段构成。

换不同的实验段可以做不同的实验（图1－3）。

2．测试设备：毕托管，热球风速计、斜管压力计、数字式压力计。

图1－3四、实验内容1.流体流过矩形管(100*50)横截面的平均流速和流量。

2. 毕托管的校正系数ξ未值。

五、实验步骤1. 首先将实验段安装在流体力学综合实验装置上（见图1－3），把出口横截面分成16个等分小格（见图1－2）。

2. 把微压计与毕托管用橡胶管连接起来，调整好微压计的水平和初始值。

3.打开风机，调整风量（不要过大）在相同的流量情况下，分别用毕托管和热球式风速计配合三维坐标架测出每一小格中心处的速度。

六、数据整理：1．流体性质计算：P 全（mm 水柱）=9.81P 全（N/m 2） P 静（mm 水柱）=9.81P 静（N/m 2） P 动（mm 水柱）=9.81P 动（N/m 2）2．利用下式得求得各点速度V=ξρ）－P （P .静全8192式中：ξ—— 毕托管校正系数。

P 金－P 静——测得的动压力（mm 水柱） ρ—— 流体的密度（Kg/m 3）；用公式：1-3、1-4算出平均速度和流量。

3. 将原始记录数据和计算结果整理列表如下：（表1-1供参考，表格形式可自行设计）七、实验要求1．实验前认真阅读实验内容与有关知识，写好实验预习报告。

2．实验报告的内容一定要含实验原始数据和经过计算得到的数据表格。

3．实验原理可以简写（要顺畅），复杂的原理图可以不画。

八、思考题1．如果所测管道为圆形截面，应如何来求其平均流速，从而确定流量。

2．毕托管的校正系数受到那些因素的影响？3．用毕托管测量流速为什么一定要对准来流方向，还应注意些什么？表1-1实验二沿圆柱体绕流时的阻力系数测定一、实验目的1．通过实验加深对实际流体绕过物体流动时产生阻力的概念。

2．研究圆柱体后尾涡中的速度分布，并根据动量平衡原理确定在圆柱体上的阻力和阻力系数。

3．掌握通过测定圆柱体表面上的压力分布，确定阻力系数的方法。

二、实验原理流体绕过圆柱体流动时（图2-1），由于流体粘性的作用，在圆柱体表面上形成附面层，附面层脱离后，在圆柱体后面形成尾涡区，根据动量平衡原理，可以确定流体流过圆柱体时单位长度上所受到的阻力。

图2-1在流体密度ρ不变的稳定流场中，取控制体ABCD ，厚度为1，通过AB 截面流入控制体的质量流率为υρ∞2h 。

单位时间在X 方向流入的动量为υρ22∞h 。

通过CD 截面流出控制体的质量流率为dy h h ρυ+-⎰，单位时间在x 方向流出的动量为：dy h h 2ρυ+-⎰由于连续性条件，通过AB 和CD 截面的质量流率之差：υρ∞2h －dy h h ρυ+-⎰=0 （2－1）而单位时间在x 方向流入和流出动量差为υρ22∞h －dy h h 2ρυ+-⎰=0 （2－2）作用在圆柱体上的阻力为：F D =υρ22∞h －dy h h 2ρυ+-⎰＋2（P ∞静－P 静）h （2－3）式中：h ——控制体高度之半；h=50 mm ； P ∞静、υ∞—— 来流的静压力和速度； P 静、υ—— 尾流的静压力和速度；ρ—— 流体的密度（Kg/m 3）； 同时可求得阻力系数为：C D =d ρυF D22∞=）ρυ－P P （d h ）dy＋υυ－（d 静静hh22221212∞∞+-∞⎰（2－4） 如取y=ηh 更为方便，η为h 的部分值，这时η）d υυ－（h ）dy υυ－（－h h22112211∞⎰=⎰∞+-最后得到：C D =）ρυ－P P （d h ）d υυ－（d h 静静2221121212∞∞∞-⎰＋η（2-5） C D 值还可以通过测定圆柱体表面上的压力分布来定（图2-2）。

在圆柱体表面上开有一个很小的测压孔, 旋转时可测得不同角度时表面上的压力分布,积分后（公式：2-6）即可求得C D 值。

θϑθπd ）ρυ－P P （C 静θD cos 221220∞∞⎰=（2-6）式中：P θ——在θ角度位置上，测压孔测得的压力。

而221∞ρυ值。

图2-2由测得来流的全压力和静压力之差求得。

即P ∞全－P ∞静=221∞ρυ 三、实验设备主要设备同实验一，只要把不同的实验段安置在实验装置上即可。

实验原理如图2-3。

在实验段的入口和出口处，用毕托管和斜管微压计测得来流速度、来流静压和尾流静压、速度分布。

转动圆柱体，测得取压孔在不同角度上表面的压力分布。

四、验内容1.通过测量来流静压、来流速度、尾流静压、尾流速度分布值，根据公式（2-5） 求得阻力系数C D 的值。

2.通过测定圆柱体表面上的压力分布，根据公式（2-6）求得阻力系数C D 的值。

五、实验数据及处理①室温t =℃②大气压力= ③圆柱体直径d = 30mm④毕托管校正系数ξ=⑤来流的全压力P ∞全= mm 水柱 ⑥流的静压力P ∞静= mm 水柱 ⑦尾流的静压力P 静= mm 水柱 ⑧流通截面宽度之半 = 50 mm⑨流通截面长度之半L =25 mm 1. 利用测量尾流速度分布来确定C D 值来流速度计算公式：ρ）ξ－P （P .υ静全∞∞∞⨯=8192同理计算尾流速度：ρ）ξ－P （P .υ静全8192⨯=而）（t .P P RT P ρ静大气绝2732287++==，将实验数据整理成表2-1，（供参考） 表2-1C D 值由公式（2-5）求出：C D =η）d υυ－（d h ρυ）－P （P d h 静静2211212212∞+-∞∞⎰+ 其中：η）d υυ－（22111∞+-⎰值可采用下列方法之一求得：（1）将图画在方格纸上，用数格的办法求其面积，参考图2-4。

（2）用面积仪求得其面积； （3）用计算机求得其面积；2．利用测得圆柱体表现上的压力分布来确定C D 值。

C D =θθd C P πcos 2120⎰ 其中：C P =221∞∞ρυ　－ＰP 静θ为压力系数，将数据整理成表2-2、图2-5 （供参考）图2-4 图2-5表2-2六、实验要求1．实验前预习与实验有关的知识，写出实验预习报告。

2．实验报告的内容一定要包含原始数据和结果。

（阻力系数的值）七、讨论通过沿圆柱体的表面压力测量和尾流速度的测量而得到的阻力系数分别为：1D C 和2D C ，一般来说，1D C 值比较标准、可靠、而测得的2D C 由于紊流影响，压力计读数很不稳定，因而影响实验的精度，同时测量平面到圆柱体的距离太近，由于紊流的影响，测量平面处静压力的不均匀分布，也可能是造成误差的一个原因。