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、动量厚度、能量厚度。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，这个厚度为的薄层称为边界层，通常规定从壁面到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，如图1-2所示。若量测断面坐标为，则该断面为(本装置用代表) (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。 °Ｋ时，90°K＜T＜300°K时，n取8/9，代入紊流边界层内的流速分布用指数律表示为 图1-1(1－2) 式(1－1)、(1－2)中量测断面纵向坐标量测点的横向坐标测点流速量测断面处的边界层厚度（即处的值） 图 1－2量测断面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。根据资料介绍为时，其光滑壁面的n值约为7。可根据n值计算、、。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 (1－3) (1－3)’边界层动量损失厚度 (1－4) (1－4)’边界层能量损失厚度 (1－5) (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为(1－6)为空气容重，为大气压强，测点流速为(1－7)用测压计测定，根据静压基本方程为(1－8)为测压管内流体的容重，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。值为,(为测压计斜管读数),其，代入式(1－7)(1－9)式(1－9)中， (1－10)式(1－10)中为大气压。1㎜Hg=133.32为气体常数 (焦耳/千克·绝对温度)为绝对温度值 （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。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，其值为毕托管头部厚度的一半即，第一个测点为实验板壁面。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
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。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，记录千分卡尺旋转距离和对应的测压管读数值，当测压管读数值不再继续变化时，即达主流区，其流速为，计算出处的测压计读数，（测点的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，当其读数等于时停止旋转，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 ° 毕托管头部宽度 ㎜空气温度 ℃ 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㎜测压管读数㎜1 。。 25 （六）成果要求（仅供参考）1．绘制与的关系曲线，确定指数值。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．绘制与、、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。
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