空氣動(dòng)力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)指導(dǎo)書(shū)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> ⑴觀察射流結(jié)構(gòu)及速度分布情況；通過(guò)測(cè)定氣體紊動(dòng)射流斷面流速分布，了解紊動(dòng)射流的特性。
⑵學(xué)習(xí)利用畢托管和微壓計(jì)測(cè)定氣流速度的原理和方法，測(cè)定紊流系數(shù)α。
二、實(shí)驗(yàn)原理
射流是指孔口或噴嘴向外噴出，進(jìn)入另一流體領(lǐng)域的一股流體。射流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為層流型和紊流型。
紊流射流自噴嘴出口以均勻的流速射入靜止的環(huán)境中時(shí)與周圍靜止的流體之間形成速度不連續(xù)的間斷面，間斷面因受干擾失去穩(wěn)定而產(chǎn)生旋渦，旋渦卷吸周圍流體而進(jìn)入射流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂產(chǎn)生紊動(dòng)，其影響逐漸向內(nèi)外兩側(cè)發(fā)展；形成內(nèi)外兩個(gè)自由紊動(dòng)的混合層，因整個(gè)射流場(chǎng)的靜壓是相等的，故沿流動(dòng)方向沒(méi)有任何外力。
由于動(dòng)量的橫向傳遞，卷吸進(jìn)入的流體取得動(dòng)量而隨同原來(lái)射出的流體向前流動(dòng)，原來(lái)的流體失去動(dòng)量速度降低，自由射流的動(dòng)量保持不變。在混合層中形成一定的流速梯度，又稱剪切層。卷吸與混摻的結(jié)果，使射流斷面不斷擴(kuò)大，而流速不斷降低，流量沿程增加。
由于紊流的間歇現(xiàn)象，射流邊界實(shí)際上是一個(gè)由紊動(dòng)渦體和周圍勢(shì)流交錯(cuò)組成的不規(guī)則面，但實(shí)際分析時(shí)從統(tǒng)計(jì)平均意義上把射流邊界看成線性擴(kuò)展的界面。將主體段的邊界線延長(zhǎng)交于O點(diǎn)，O點(diǎn)為射流極點(diǎn)。
紊流射流在形成穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)后，整個(gè)射流分成幾個(gè)區(qū)段，由噴嘴邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的紊動(dòng)混摻部分稱為邊界層，中心部分未受到混摻的影響而保持原來(lái)出口流速，稱為射流核心，從出口到核心消失斷面之間的流動(dòng)稱為起始段。  紊動(dòng)充分發(fā)展的部分稱為主體段。
射流主體段各斷面的縱向速度分布具有相似性，用無(wú)量綱的半徑驗(yàn)公式來(lái)表示。
                       （21）
式中：  U——測(cè)點(diǎn)流速，m/s;
   U_m——量測(cè)斷面中心點(diǎn)流速，m/s;
y——測(cè)點(diǎn)到軸心的距離，m;
y₀——射流半寬，可按下式估算
                 
式中：R——噴嘴半徑，m;
X——自噴嘴出口到實(shí)驗(yàn)斷面之間的距離，m
θ——射流擴(kuò)散角。
（估算數(shù)值，僅供參考，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)以該測(cè)點(diǎn)U=0為判斷條件）。 
二、實(shí)驗(yàn)裝置
阻尼網(wǎng)穩(wěn)壓箱本裝置配有三種不同的射流噴口，實(shí)驗(yàn)時(shí)可任取其中一到兩種。在直徑為30mm的圓柱形噴嘴和收縮形噴嘴試驗(yàn)段上，均可作圓射流實(shí)驗(yàn)；此外，還配有扁形噴嘴（寬7mm、長(zhǎng)120-140mm），可進(jìn)行扁射流實(shí)驗(yàn)。噴嘴置于試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)壓箱底部，噴嘴右側(cè)安裝畢托管和測(cè)量x標(biāo)尺 y標(biāo)尺，畢托管和微壓計(jì)相連，以測(cè)定各斷面的流速分布。
圓柱形噴嘴半徑      γ₀ =15mm
收縮形噴嘴半徑      γ₀ =15mm
扁形（條縫形）噴嘴
噴口半寬            b₀ =15mm
噴口長(zhǎng)              ι=140mm 
三、實(shí)驗(yàn)基本原理：
㈠測(cè)定紊流系數(shù)
      ⑴根據(jù)射流的運(yùn)動(dòng)特性，射流起始段及基本段（射程）各斷面上的無(wú)量綱（無(wú)因次）速度，隨無(wú)量綱坐標(biāo)的分布具有相似性。用射流運(yùn)動(dòng)特征公式表示即為：
     （1）
式中：y ——測(cè)點(diǎn)距軸心的距離（m）；y₀為射流的半寬度，可按下式計(jì)算：
      R ——同截面上邊界層厚度（m）；
     υ——測(cè)點(diǎn)流速（m/s）；
υ_m ——斷面軸心最大流速（m/s）。
由此可驗(yàn)證無(wú)量綱速度分布的相似性。
⑵射流基本段軸心速度公式
①圓射流
（2）
②扁射流
（3）
式中：γ₀——圓射流出口半徑（m）
b₀——扁射流出口半寬（m）
             s——射流之射程（m）
υ₀——噴口處流速（m/s）
在基本段（射程）內(nèi)選取3的個(gè)橫斷面，將所測(cè)得的各斷面的υ₀ ，s及噴口的υ₀及γ₀（或b₀）代入式（2）或式（3），便得出3個(gè)α值，取平均值，即得紊流系數(shù)α。
㈡測(cè)定流速
   （4） 
式中：y₀——射流半徑
r₀——噴嘴半徑
X——自噴嘴出口至實(shí)驗(yàn)斷面的距離
θ——擴(kuò)散角
    （5）
式中：u——測(cè)點(diǎn)流速
φ——畢托管修正系數(shù)
ρ——酒精密度
ρ——空氣密度
η——測(cè)壓計(jì)的常數(shù)因子
φ——測(cè)壓計(jì)的修正系數(shù)
     （6）
式中： u_m——測(cè)量斷面中心流速
y——測(cè)點(diǎn)距中心的距離
1.用畢托管在噴嘴出口斷面定出中心坐標(biāo)即Y_中心，并記錄該值。
2. 確定測(cè)量斷面，即出口斷面，起始段內(nèi)一個(gè)斷面，主體段內(nèi)一個(gè)斷面。起始段和主體段的確定，首先要找到臨界斷面，從臨界斷面向上一段合適距離為起始段內(nèi)一個(gè)斷面，從臨界斷面向下一段合適距離為主體段內(nèi)一個(gè)斷面。分別記錄三個(gè)斷面的X向坐標(biāo)。
3.確定所選斷面的測(cè)點(diǎn)數(shù)和測(cè)點(diǎn)步長(zhǎng)，由于圓管射流的對(duì)稱性，應(yīng)在射流半徑內(nèi)確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)、出口斷面、起段內(nèi)斷面、主體段內(nèi)斷面。最少測(cè)量點(diǎn)數(shù)分別為3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)。根據(jù)所選斷面的射流半徑坐標(biāo)值（該值應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得）和射流中心坐標(biāo)值，以及測(cè)點(diǎn)數(shù)確定測(cè)點(diǎn)步長(zhǎng)，即：          
測(cè)點(diǎn)步長(zhǎng)=測(cè)點(diǎn)數(shù)
根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)和測(cè)點(diǎn)步長(zhǎng)可確定每次測(cè)量點(diǎn)的y值。
4.將畢托管調(diào)到噴嘴中心，按啟動(dòng)按鈕開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，待氣體平穩(wěn)后開(kāi)始測(cè)量，
首先記錄下中心處的壓差Δh，再根據(jù)算得y值，沿射流半徑一個(gè)方向測(cè)量，每次改變y值后，一定要觀察斜管壓力計(jì)中液面穩(wěn)定后，再進(jìn)行讀數(shù)。
5.測(cè)空氣溫度和大氣壓。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
⑴檢查及調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如畢托管與測(cè)量標(biāo)尺是否固定好，測(cè)量標(biāo)尺固定螺絲是否松動(dòng)，多管測(cè)壓計(jì)水泡是否居中等。
⑵根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)整多管測(cè)壓計(jì)液面高度（應(yīng)齊平），確定傾角α。
⑶將畢托管用橡皮管與測(cè)壓計(jì)連接（此時(shí)各玻璃管液位同高）。
⑷去掉實(shí)驗(yàn)臺(tái)上面板，接通風(fēng)機(jī)電源，開(kāi)機(jī)。
⑸打開(kāi)風(fēng)門，將畢托管放到測(cè)定點(diǎn)，預(yù)定流體的出口速度、不同射程s與斷面速度，以及軸心速度（均由動(dòng)壓換算）。
⑹測(cè)定大氣壓和氣溫。
⑺實(shí)驗(yàn)完畢后關(guān)閉風(fēng)門，停機(jī)，切斷電源，收拾好儀器設(shè)備使設(shè)備恢復(fù)愿狀。
五、  實(shí)驗(yàn)報(bào)告及成果要求
1.記錄有關(guān)常數(shù)。
2.計(jì)算測(cè)點(diǎn)流速u與u_m，并繪制流速分布圖，（注意統(tǒng)一單位）。
3.用半徑經(jīng)驗(yàn)公式標(biāo)出20個(gè)點(diǎn)，繪制與計(jì)算關(guān)系圖。將主體斷面的實(shí)測(cè)與繪在上圖內(nèi)進(jìn)行比較。
六、討論題
1.當(dāng)實(shí)測(cè)的與關(guān)系曲線不與經(jīng)驗(yàn)公式算出的關(guān)系曲線重合時(shí)，試分析誤差原因。
2.分析氣體紊流射流規(guī)律為什么采用無(wú)因次量表達(dá)？

















         （11-1）
         （11-2）
對(duì)扁射流，             （11-3）
式中：R₀為圓柱形噴嘴半徑；b₀為扁形噴嘴寬度；x為自噴嘴出口到實(shí)驗(yàn)段面的距離；θ為射流擴(kuò)散角。
公式（11-1）也適用于起始段邊層中的流速分布，此時(shí)式中的y為斷面上任意點(diǎn)至核心邊界的距離；y₀為同一斷面上邊層的寬度；u為斷面上邊層中y點(diǎn)的流速；u_m為核心流速。
量測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)流速由畢托管測(cè)定，畢托管與酒精微壓計(jì)相連，以測(cè)定其動(dòng)壓，其流速計(jì)算公式為：
           （11-4）
式中：Ф為畢托管修正系數(shù)；γs為酒精容重；γa為空氣容重；ι為微壓計(jì)斜管中液柱長(zhǎng)度；ψ是微壓計(jì)修正系數(shù)；為由單位換算引出的系數(shù)，n為微壓計(jì)常數(shù)因子。

圖11-2   紊動(dòng)射流結(jié)構(gòu)圖
四、實(shí)驗(yàn)步驟
（一）調(diào)平微壓計(jì)的水平泡，確定斜管的傾斜位置在常數(shù)因子n=0.6處，調(diào)整斜管內(nèi)的液面到零位，將畢托管的動(dòng)壓（或總壓）管接頭接到微壓計(jì)多項(xiàng)接頭的“+”上，將靜壓管接頭接到斜管上。
（二）用定位塊和畢托管定出噴嘴中心坐標(biāo)。
（三）確定量測(cè)斷面，估算量測(cè)斷面的射流半寬度y₀值，因y₀值不易測(cè)準(zhǔn)確，常采用流速等于u_m/2處的y值，確定畢托管大致移動(dòng)范圍。應(yīng)量測(cè)三個(gè)斷面，即出口斷面、起始段一個(gè)斷面和主體段一個(gè)斷面；出口斷面可測(cè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，其它斷面測(cè)13-15個(gè)點(diǎn)。
（四）接通多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。將畢托管調(diào)到噴嘴中心。慢慢開(kāi)啟試驗(yàn)臺(tái)氣流調(diào)節(jié)閥，使出口斷面斜管微壓計(jì)的斜管中的酒精柱在100mm左右，待氣流平穩(wěn)后開(kāi)始量測(cè)。首先記下中心處的微壓計(jì)斜管液柱壓差ι值，中心點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)處相同，再測(cè)定不同y值處的壓差值。根據(jù)流速分布變化來(lái)定合適的測(cè)點(diǎn)間距。
（五）測(cè)空氣溫度和大氣壓。實(shí)驗(yàn)完畢斷電停機(jī)。檢查微壓計(jì)斜管內(nèi)液面是否回零。
五、成果要求與分析
（一）計(jì)算各量測(cè)斷面上的測(cè)點(diǎn)流速u，繪制各斷面流速分布圖，定出軸心最大流速u_m。見(jiàn)圖11-3。
（二）計(jì)算主體段斷面的無(wú)量綱流速和無(wú)量綱坐標(biāo)y/ y₀；繪制無(wú)量綱流速分布圖，見(jiàn)圖11-4并和半經(jīng)驗(yàn)公式（11-1）進(jìn)行比較。
六、注意事項(xiàng)
若多功能試驗(yàn)臺(tái)為兩臺(tái)共用一個(gè)通風(fēng)機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量避免互相干擾。
七、思考問(wèn)題
（一）無(wú)量綱流速分布半經(jīng)驗(yàn)公式能否適用于射流起始段？
（二）采用圓柱形噴嘴和收縮形噴嘴，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一樣？
（三）若采用扁形噴嘴，射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圓斷面射流會(huì)有什么不同？
八、實(shí)驗(yàn)附錄
（一）收縮形噴嘴流速分布實(shí)測(cè)值
1.常數(shù)
噴嘴半徑R₀=15mm        畢托管修正系數(shù)φ=0.998
噴嘴擴(kuò)散角θ=10.5°      空氣溫度t=15°
微壓計(jì)常數(shù)n=0.6         氣體密度ρa=1.24kg/m²
酒精密度ρ=810kg/ m²     大氣壓
微壓計(jì)修正系數(shù)Ψ=0
2.記錄

序號(hào) №	測(cè)針讀數(shù) （cm）	Y （cm）	微壓計(jì)斜管讀數(shù) ι（mn酒精柱）	u （m/s）	u/um	y/y0
斷面1                     n=0                         y 0=13mm
1	13.06	1.3	112	32.447
2	13.56	0.8	112	32.447
3	13.96	0.4	112	32.447
4	（中心點(diǎn)）14.36	0	112	32.447
5	14.76	-0.4	112	32.447
6	15.16	-0.8	112	32.447
7	15.66	-1.3	112	32.447

表1
（二）射流起始段長(zhǎng)度的測(cè)定

〇  x=0
╳  x=75mm
△  x=150mm
□  x=200mm
 
 
 
 





圖11-3   收縮形噴嘴流速分布圖

由表2與圖11-5u_m/u ₀與x/R₀關(guān)系曲線圖可以看出，當(dāng)x/R₀≤6.8時(shí)，u_m/u ₀=1.0；當(dāng)x/R₀>6.8時(shí)，隨著x/R₀的增加，u_m/u ₀值逐漸減少，稱u_m/u ₀=1.0的這段（勢(shì)流核）的長(zhǎng)度，由下表可知，其始段長(zhǎng)度為x₀=6.8 R₀=6.8×15=102mm。根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)成果，一般起始段長(zhǎng)度為x₀=（6.8 -10）R₀，即（3.4-5）d，本實(shí)驗(yàn)成果在此范圍內(nèi)。
 

 
 
 
 
 
 
 

圖11-5    u_m/u₀與x/R₀關(guān)系曲線圖
表2
R₀= 15mm  溫度t=18℃  大氣壓力  微壓計(jì)n=0.6

x（mm）	t （mm）	x/ R0	um/u0	x（mm）	t （mm）	x/ R0	um/u0
0	112	0	1.0	230	74	15.333	0.813
20	112	1.333	1.0	250	65	16.667	0.762
40	112	2.667	1.0	270	57.5	18.000	0.717
60	112	4.000	1.0	290	52	19.333	0.081
80	112	5.333	1.0	310	46	20.667	0.641
100	112	6.667	1.0	330	44	22.000	0.627
102	112	6.80	1.0	350	38	23.333	0.582
110	110.5	7.333	0.993	370	35	24.667	0.559
130	109	8.667	0.987	390	31	26.000	0.526
150	104	10.0	0.934	410	28	27.333	0.500
170	98	11.335	0.935	430	25	28.667	0.472
190	90	12.667	0.894	450	23	30	0.458
210	80	14.000	0.845

實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)在小型空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。采用圓柱形噴嘴，噴嘴直徑30mm。
實(shí)驗(yàn)步驟
1、調(diào)平微壓計(jì)的水平泡。確定斜管的傾斜位置。調(diào)斜管內(nèi)液面到零位。將畢托管的全壓管接到微壓計(jì)多項(xiàng)接頭的“+”頭，靜壓管接到斜管上。
2、用定位塊或畢托管定斜管定出噴嘴中心坐標(biāo)。
3、確定量測(cè)斷面，估算量測(cè)斷面的y₀值，確定畢托管大致移動(dòng)范圍。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組測(cè)出三個(gè)實(shí)驗(yàn)斷面，即出口斷面、起始和主體段各選一個(gè)斷面。出口斷面可測(cè)7個(gè)點(diǎn)，其它斷面測(cè)13~15個(gè)點(diǎn)。
4、接通電源，去掉實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上活動(dòng)蓋板。
5、將畢托管調(diào)到噴嘴中心。慢慢開(kāi)啟氣流調(diào)節(jié)閥到所需位置。待氣流平穩(wěn)后開(kāi)始測(cè)量。首先記下中心點(diǎn)處的壓差△h，中心點(diǎn)兩邊測(cè)點(diǎn)數(shù)相同，再測(cè)各測(cè)點(diǎn)的壓差。
6、沿中心線向下移動(dòng)畢托管，當(dāng)微壓計(jì)讀數(shù)開(kāi)始變化時(shí)記錄該點(diǎn)的X坐標(biāo)，此點(diǎn)所在斷面為轉(zhuǎn)折斷面。
7、分別向上及向下移動(dòng)畢托管到所選測(cè)斷面，找出射流邊界，根據(jù)流速分布變化，確定合適的測(cè)點(diǎn)間距。記錄各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)有微壓計(jì)讀數(shù)。
8、測(cè)定大氣壓及空氣溫度。
9、檢查記錄、關(guān)閉電源、清理現(xiàn)場(chǎng)。
記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1、將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)填入記錄表格。
2、繪出射流結(jié)構(gòu)圖。
3、計(jì)算各量測(cè)斷面上測(cè)點(diǎn)流速U，定出中心點(diǎn)最大流速，繪出速度分布圖。
4、計(jì)算主庥斷面無(wú)因次速度U/U_m和無(wú)因次坐標(biāo)y/ y_0, 繪出無(wú)因次速度分布圖，與半徑公式相比較。

姓名   同組人   日期
設(shè)備編號(hào)                     微壓計(jì)編號(hào) 噴嘴形式                     酒精容重 中心點(diǎn)標(biāo)心讀數(shù)                 空氣溫度 大氣壓強(qiáng)
斷面			測(cè)點(diǎn)		微壓計(jì)讀數(shù)1(mm)	中心點(diǎn)流速Um(m/s)	中心點(diǎn)流速Um(m/s)	y/ y0	U/Um
編號(hào)	位置 X	半寬 y0	編號(hào)	位置 y1