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空气动力学多功能实验台指导书


一、实验目的
⑴观察射流结构及速度分布情况;通过测定气体紊动射流断面流速分布,了解紊动射流的特性。
⑵学习利用毕托管和微压计测定气流速度的原理和方法,测定紊流系数α。
二、实验原理
射流是指孔口或喷嘴向外喷出,进入另一流体领域的一股流体。射流的运动形态分为层流型和紊流型。
紊流射流自喷嘴出口以均匀的流速射入静止的环境中时与周围静止的流体之间形成速度不连续的间断面,间断面因受干扰失去稳定而产生旋涡,旋涡卷吸周围流体而进入射流,同时不断移动、变形、分裂产生紊动,其影响逐渐向内外两侧发展;形成内外两个自由紊动的混合层,因整个射流场的静压是相等的,故沿流动方向没有任何外力。
由于动量的横向传递,卷吸进入的流体取得动量而随同原来射出的流体向前流动,原来的流体失去动量速度降低,自由射流的动量保持不变。在混合层中形成一定的流速梯度,又称剪切层。卷吸与混掺的结果,使射流断面不断扩大,而流速不断降低,流量沿程增加。
由于紊流的间歇现象,射流边界实际上是一个由紊动涡体和周围势流交错组成的不规则面,但实际分析时从统计平均意义上把射流边界看成线性扩展的界面。将主体段的边界线延长交于O点,O点为射流极点。
紊流射流在形成稳定的流动形态后,整个射流分成几个区段,由喷嘴边界起向内外扩展的紊动混掺部分称为边界层,中心部分未受到混掺的影响而保持原来出口流速,称为射流核心,从出口到核心消失断面之间的流动称为起始段。  紊动充分发展的部分称为主体段。
射流主体段各断面的纵向速度分布具有相似性,用无量纲的半径验公式来表示。
                       (21)
式中:  U——测点流速,m/s;
   Um——量测断面中心点流速,m/s;
y——测点到轴心的距离,m;
y0——射流半宽,可按下式估算
                 
式中:R——喷嘴半径,m;
X——自喷嘴出口到实验断面之间的距离,m
θ——射流扩散角。
(估算数值,仅供参考,实验时应以该测点U=0为判断条件)。 
二、实验装置
阻尼网稳压箱本装置配有三种不同的射流喷口,实验时可任取其中一到两种。在直径为30mm的圆柱形喷嘴和收缩形喷嘴试验段上,均可作圆射流实验;此外,还配有扁形喷嘴(宽7mm、长120-140mm),可进行扁射流实验。喷嘴置于试验台的稳压箱底部,喷嘴右侧安装毕托管和测量x标尺 y标尺,毕托管和微压计相连,以测定各断面的流速分布。
圆柱形喷嘴半径      γ0 =15mm
收缩形喷嘴半径      γ0 =15mm
扁形(条缝形)喷嘴
喷口半宽            b0 =15mm
喷口长              ι=140mm 
三、实验基本原理:
㈠测定紊流系数
      ⑴根据射流的运动特性,射流起始段及基本段(射程)各断面上的无量纲(无因次)速度,随无量纲坐标的分布具有相似性。用射流运动特征公式表示即为:
     (1)
式中:y ——测点距轴心的距离(m);y0为射流的半宽度,可按下式计算:
      R ——同截面上边界层厚度(m);
     υ——测点流速(m/s);
υm ——断面轴心最大流速(m/s)。
由此可验证无量纲速度分布的相似性。
⑵射流基本段轴心速度公式
①圆射流
(2)
②扁射流
(3)
式中:γ0——圆射流出口半径(m)
b0——扁射流出口半宽(m)
             s——射流之射程(m)
υ0——喷口处流速(m/s)
在基本段(射程)内选取3的个横断面,将所测得的各断面的υ0 ,s及喷口的υ0及γ0(或b0)代入式(2)或式(3),便得出3个α值,取平均值,即得紊流系数α。
㈡测定流速
   (4) 
式中:y0——射流半径
r0——喷嘴半径
X——自喷嘴出口至实验断面的距离
θ——扩散角
    (5)
式中:u——测点流速
φ——毕托管修正系数
ρ——酒精密度
ρ——空气密度
η——测压计的常数因子
φ——测压计的修正系数
     (6)
式中: um——测量断面中心流速
y——测点距中心的距离
1.用毕托管在喷嘴出口断面定出中心坐标即Y中心,并记录该值。
2. 确定测量断面,即出口断面,起始段内一个断面,主体段内一个断面。起始段和主体段的确定,首先要找到临界断面,从临界断面向上一段合适距离为起始段内一个断面,从临界断面向下一段合适距离为主体段内一个断面。分别记录三个断面的X向坐标。
3.确定所选断面的测点数和测点步长,由于圆管射流的对称性,应在射流半径内确定测量点数、出口断面、起段内断面、主体段内断面。最少测量点数分别为3点、5点、7点。根据所选断面的射流半径坐标值(该值应实验中测得)和射流中心坐标值,以及测点数确定测点步长,即:          
测点步长=测点数
根据测点数和测点步长可确定每次测量点的y值。
4.将毕托管调到喷嘴中心,按启动按钮开启风机,待气体平稳后开始测量,
首先记录下中心处的压差Δh,再根据算得y值,沿射流半径一个方向测量,每次改变y值后,一定要观察斜管压力计中液面稳定后,再进行读数。
5.测空气温度和大气压。
四、实验步骤
⑴检查及调整实验设备,如毕托管与测量标尺是否固定好,测量标尺固定螺丝是否松动,多管测压计水泡是否居中等。
⑵根据实验要求,调整多管测压计液面高度(应齐平),确定倾角α。
⑶将毕托管用橡皮管与测压计连接(此时各玻璃管液位同高)。
⑷去掉实验台上面板,接通风机电源,开机。
⑸打开风门,将毕托管放到测定点,预定流体的出口速度、不同射程s与断面速度,以及轴心速度(均由动压换算)。
⑹测定大气压和气温。
⑺实验完毕后关闭风门,停机,切断电源,收拾好仪器设备使设备恢复愿状。
五、  实验报告及成果要求
1.记录有关常数。
2.计算测点流速u与um,并绘制流速分布图,(注意统一单位)。
3.用半径经验公式标出20个点,绘制计算关系图。将主体断面的实测绘在上图内进行比较。
六、讨论题
1.当实测的与关系曲线不与经验公式算出的关系曲线重合时,试分析误差原因。
2.分析气体紊流射流规律为什么采用无因次量表达?

















         (11-1)
         (11-2)
对扁射流,             (11-3)
式中:R0为圆柱形喷嘴半径;b0为扁形喷嘴宽度;x为自喷嘴出口到实验段面的距离;θ为射流扩散角。
公式(11-1)也适用于起始段边层中的流速分布,此时式中的y为断面上任意点至核心边界的距离;y0为同一断面上边层的宽度;u为断面上边层中y点的流速;um为核心流速。
量测断面各测点流速由毕托管测定,毕托管与酒精微压计相连,以测定其动压,其流速计算公式为:
           (11-4)
式中:Ф为毕托管修正系数;γs为酒精容重;γa为空气容重;ι为微压计斜管中液柱长度;ψ是微压计修正系数;为由单位换算引出的系数,n为微压计常数因子。

图11-2   紊动射流结构图
四、实验步骤
(一)调平微压计的水平泡,确定斜管的倾斜位置在常数因子n=0.6处,调整斜管内的液面到零位,将毕托管的动压(或总压)管接头接到微压计多项接头的“+”上,将静压管接头接到斜管上。
(二)用定位块和毕托管定出喷嘴中心坐标。
(三)确定量测断面,估算量测断面的射流半宽度y0值,因y0值不易测准确,常采用流速等于um/2处的y值,确定毕托管大致移动范围。应量测三个断面,即出口断面、起始段一个断面和主体段一个断面;出口断面可测7个测点,其它断面测13-15个点。
(四)接通多功能实验台电源。将毕托管调到喷嘴中心。慢慢开启试验台气流调节阀,使出口断面斜管微压计的斜管中的酒精柱在100mm左右,待气流平稳后开始量测。首先记下中心处的微压计斜管液柱压差ι值,中心点两侧的测点处相同,再测定不同y值处的压差值。根据流速分布变化来定合适的测点间距。
(五)测空气温度和大气压。实验完毕断电停机。检查微压计斜管内液面是否回零。
五、成果要求与分析
(一)计算各量测断面上的测点流速u,绘制各断面流速分布图,定出轴心最大流速um。见图11-3。
(二)计算主体段断面的无量纲流速和无量纲坐标y/ y0;绘制无量纲流速分布图,见图11-4并和半经验公式(11-1)进行比较。
六、注意事项
若多功能试验台为两台共用一个通风机时,实验时应尽量避免互相干扰。
七、思考问题
(一)无量纲流速分布半经验公式能否适用于射流起始段?
(二)采用圆柱形喷嘴和收缩形喷嘴,实验结果是否一样?
(三)若采用扁形喷嘴,射流实验结果和圆断面射流会有什么不同?
八、实验附录
(一)收缩形喷嘴流速分布实测值
1.常数
喷嘴半径R0=15mm        毕托管修正系数φ=0.998
喷嘴扩散角θ=10.5°      空气温度t=15°
微压计常数n=0.6         气体密度ρa=1.24kg/m2
酒精密度ρ=810kg/ m2     大气压
微压计修正系数Ψ=0
2.记录
序号
测针读数
(cm)
Y
(cm)
微压计斜管读数
ι(mn酒精柱)
u
(m/s)
u/um y/y0
断面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 (中心点)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)射流起始段长度的测定

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





图11-3   收缩形喷嘴流速分布图

由表2与图11-5um/u 0与x/R0关系曲线图可以看出,当x/R0≤6.8时,um/u 0=1.0;当x/R0>6.8时,随着x/R0的增加,um/u 0值逐渐减少,称um/u 0=1.0的这段(势流核)的长度,由下表可知,其始段长度为x0=6.8 R0=6.8×15=102mm。根据前人实验成果,一般起始段长度为x0=(6.8 -10)R0,即(3.4-5)d,本实验成果在此范围内。
 

 
 
 
 
 
 
 

图11-5    um/u0与x/R0关系曲线图
表2
R0= 15mm  温度t=18℃  大气压力  微压计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        

实验设备
实验在小型空气动力学实验台上进行。采用圆柱形喷嘴,喷嘴直径30mm。
实验步骤
1、调平微压计的水平泡。确定斜管的倾斜位置。调斜管内液面到零位。将毕托管的全压管接到微压计多项接头的“+”头,静压管接到斜管上。
2、用定位块或毕托管定斜管定出喷嘴中心坐标。
3、确定量测断面,估算量测断面的y0值,确定毕托管大致移动范围。每个实验小组测出三个实验断面,即出口断面、起始和主体段各选一个断面。出口断面可测7个点,其它断面测13~15个点。
4、接通电源,去掉实验台面上活动盖板。
5、将毕托管调到喷嘴中心。慢慢开启气流调节阀到所需位置。待气流平稳后开始测量。首先记下中心点处的压差△h,中心点两边测点数相同,再测各测点的压差。
6、沿中心线向下移动毕托管,当微压计读数开始变化时记录该点的X坐标,此点所在断面为转折断面。
7、分别向上及向下移动毕托管到所选测断面,找出射流边界,根据流速分布变化,确定合适的测点间距。记录各测点的坐标有微压计读数。
8、测定大气压及空气温度。
9、检查记录、关闭电源、清理现场。
记录及实验结果
1、将实测数据填入记录表格。
2、绘出射流结构图。
3、计算各量测断面上测点流速U,定出中心点最大流速,绘出速度分布图。
4、计算主庥断面无因次速度U/Um和无因次坐标y/ y0, 绘出无因次速度分布图,与半径公式相比较。
姓名   同组人   日期
设备编号                     微压计编号
喷嘴形式                     酒精容重
中心点标心读数                 空气温度
大气压强
断面 测点 微压计读数1(mm) 中心点流速Um(m/s) 中心点流速Um(m/s) y/ y0 U/Um
编号 位置
X
半宽
y0
编号 位置
y1
                   
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
 

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