风工程实验报告

一、实验目的

1. 了解眼镜蛇探针（Cobra probe ）的原理，掌握使用眼镜蛇探针在亚临近雷诺数范围内对二维圆柱尾流的速度测量

2. 了解二维圆柱尾流的速度分布情况以及圆柱所受阻力

3. 学习使用Origin 处理数据

4. 学会利用实验数据对实验结果的讨论分析以及相关研究

二、实验设备及器材

1. 直流式低速风洞实验室

2. 直径20d mm ≈左右的圆柱

3. 眼镜蛇探针、坐标架、电脑等

三、实验参数

实验在小风洞内进行，小风洞试验段截面450mm 450mm ⨯，长1m 。风速范围3-42m/s ，自由来流湍流度约0.6%。

实验中采用一根直径d 20mm ≈左右的圆柱，贯穿整个试验段，在试验段内形成近似二维圆柱尾流。

在圆柱中心下游约x = 10d 的位置上，沿y 方向进行测量。为减小测量工作量，眼镜蛇探针的测量可仅在y ≥ 0的范围内进行。y 轴向测点坐标，可视时均速度梯度的大小确定，即速度变化快的区域测点可适当加密、速度较均匀的区域，测点可稀疏一些。在y ≥ 0范围内确保15左右测点即可。 实验中来流风速分为15m/s ，眼镜蛇探针采用频率为2KHz ，每个点上的采样时间为15s 。 实验原理 阻力系数212D F C U d

-=

，其中F 为阻力：()(

)221F U U U u v dy ∞-∞⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦

⎰ 可得2212

1112d 2d D U U U y v u y C U U d U d ∞

∞

-∞-∞⎛⎫⎛⎫--⎛⎫

⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝

⎭⎝⎭⎰⎰，其中1U 为初始风速，U 为每个测点的平均风速，u 和v 为纵向和横向脉动风速，d 为圆柱直径。

四、实验步骤

1. 检查实验设备：

实验开始前应当检查实验设备是否齐全，是否能够正常使用，如发现有缺陷或者损坏，应当进行检修或者调换；

2. 安装实验装置：

①将坐标架安装在小风洞扩散段上端适宜位置；

②小心将眼镜蛇探针各部位连接好，并将探头接在坐标架上，调整探头的方向，使之正对着来流风向，并可以通过坐标架上下调节探头位置；

③将准备好的实验圆柱横向安装在风洞试验段的正中间，保证圆柱与试验段上下板平行，并垂直于左右板，最后要将圆柱两端与左右板的连接处做牢固处理，防止圆柱在风吹过程中出现松动；

3. 启动装置，测量数据

①开启风动电机，将风速调制15m/s ，待风速稳定后，调整坐标架，使探头大致在

距离圆柱中心d/2处，并与圆柱保持适当距离，测量此处的风速分布；

②使用相关软件采集数据并记录，调整坐标架，每次1mm ，记录该点的风速，依

此循环测量直至风速稳定，在稳定后可选取每2mm ，5mm 测量；

③存储好记录的数据，以便后续处理；

4. 关闭风机电源，拆卸实验装置，并放回原处，实验结束。

实验示意图

五、实验数据处理

利用实验的软件可以读取已存储实验数据，实验的原始数据可以得知每个测点的瞬时风速（u 、v 、w ），并且可以观察到个测点的瞬时风速频域图，并且可以得到各个点的平均风速（U 、V 、W ），以及雷诺应力（Ruu 、Rvv 、Rww 、Ruv 、Ruw 、Rvw ）。

利用Origin 可以计算出风速的rms 值，在频域图里可以读取二维圆柱尾流的涡脱频率n ，也可以通过公式n t

U S d ∞⋅=（t S 为斯托罗哈数，约为0.2，U ∞为来流风速，15m/s ）计算。

阻力系数可由

212D F

C U d -=

，其中F 为阻力：()(

)22

1F U U U u v dy ∞-∞⎡⎤=-+-⎢⎥⎣

⎦

⎰， 可得2212

1112d 2d D U U U y v u y C U U d U d ∞

∞

-∞-∞⎛⎫⎛⎫--⎛⎫

⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝

⎭⎝⎭⎰⎰，其中1U 为初始风速，U 为每个测点的平均风速，u 和v 为纵向和横向脉动风速，d 为圆柱直径。实验中，由于探针和圆柱

尾流速度方向编号不同，在实际计算中w 即为v 。

六、实验结果

速度分布如下图

（U-L图）

4.涡脱频率

根据频域图显示，涡脱频率为：140n Hz =

理论计算：150.2

1500.02

t U S n Hz d ∞⋅⨯=

==

5.阻力系数

由理论公式可得：

2212

111122d d 0.72182667+0.17634055=0.898

D U U U y v u y C U U d U d I I ∞

∞

-∞-∞⎛⎫⎛⎫--⎛⎫

⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝

⎭⎝⎭=+=⎰⎰

七、实验总结与讨论

实验通过对圆柱尾流速度的测量，了解圆柱尾流的速度分布，并且依据测量结果计

算出了rms 值，雷诺应力，涡脱落频率以及圆柱的阻力系数。实验结果大致符合理论值，但也存在误差。

误差产生的原因如下：

1.设备误差：仪器的精密程度不够，或者是在安装仪器时不够准确，例如圆柱可能不在风洞试验段的正中间，眼镜蛇探针的探头没有正对来流风向等等对实验结果造成的影响；

2.实验操作误差：上下调动坐标架时不准确以及读书不准确等对实验结果的影响；