平板流动粘性附面层测定实验指导书

低速气流平板边界层速度分布测量实验指导书

航空工业管理学院航空工程实验中心

一、实验目的

1. 测量低速气流在平板上形成的边界层速度分布，加深认识气流的粘性特征和粘性作用强弱围。

2. 熟悉皮托管结构，掌握其测速方法。

3. 熟悉倾斜测压计结构，掌握其测压方法，能够正确使用千分尺。

二、实验通用规

1．按时按地点参加实验，实验分组进行，爱护实验室实验仪器和设备，不准碰撞或任意移动仪器或设备，不许乱跑乱动和大声喧哗。

2．实验前，各组学生必须认真预习，阅读实验指导书和教材、书籍等有关资料，了解实验目的、原理方法、操作步骤及注意事项。

3．实验开始前，服从实验指导教师的安排，认真听讲，仔细了解实验设备和仪器的操作方法和注意事项，确定组长及组人员实验分工。

4．实验中，严格按照相应实验操作规程，集中精力，有条不紊，认真操作，如实观察和记录各种实验数据和有关实验现象，初步进行一定数据处理和分析。

5．实验过程，如出现异常情况，应及时向指导教师汇报。

6．实验后，实验记录数据交指导教师检查，并按要求将实验仪器设备装置复位。

7．在规定时间，按要求编写完成并上交实验报告，注意报告除原始记录数据外，实验数据的处理和分析等容不得相互抄袭。

三、平板流体边界层概念

当匀直气流u0流向平板时，由于粘性作用使紧贴平板表面处的流速为零，离开板面速度逐渐增大，最后恢复到相当于无粘势流的速度，对平板来说即等于前方来流的速度u0了，见图1。由于空气粘性很小，只要来流速度不是很小时，流速变化大的区域只局限在靠近板面很薄的气流层，层中粘性切应力对流动影响不能忽略，这一薄层气流通常叫作边界层或附面层气流。自板面起沿着它的法线方向，至达到99%无粘流速度u0处的距离，人为规定为边界层厚度（δ）。

图1 平板流动边界层

增加来流势流的湍流度或板面的粗糙度，将会改变板面上边界层的形成和分布特性。对于沿光滑平板迎角为零的紊流边界层，其速度分布与法向坐标y 的经验关系之一为：

710)(/y

u )y (u δ

=

由此得出的边界层厚度结果是：

5

10370/x u x .⎪

⎪⎭

⎫

⎝⎛=νδ

当空气运动粘度6

1015-⨯=ν时，在x =0.2m 、u 0=30m/s 情况下，计算出边界层厚度δ=5mm ，可见气流边界层一般是很薄的。

四、实验装置与测量原理

边界层实验是在小型多功能气动力学实验台上进行的，图2是实验台和边界层测量装置示意。经风机加功增压后，气流进入稳压箱，经收缩段流入实验段。沿实验段中心轴线上，安装一块实验平板。实验段侧面固定装有毕托管，此毕托管可沿水平方向移动，位移量用千分尺测量。借此可测量不同y 坐标的边界层速度u (y)。平板可以沿着实验段的滑槽移动，从而改变毕托管口与平板起端的距离x ，借此可以测量若干个断面的边界层速度分布。

边界层毕托管口为鸭嘴形扁平口，其宽度约为0.3mm 。毕托管口中心与平板的距离用千分尺测量，方法是：

慢慢转动千分尺的旋钮，使毕托管慢慢靠近平板。当毕托管的管口抵达平板时，此时千分尺读数为起始读数，这时毕托管管口中心与平板的距离约为0.15mm 。当移动毕托管到新位置时，记下千分尺的读数，此读数与起始读数相减，再加上0.15mm ，就得到毕托管口中心与平板的距离。注意：千分尺读数精度为0.01mm 。千分尺旋钮每转一格，毕托管移动0.01mm ；旋钮旋转一圈，毕托管移动0.5mm 。

毕托管实际上是一根L 形总压管，以测量气流的总压值p 0。因边界层气流测量处已暴

露于周围大气中，此处压强值近似保持为当地大气压值p a 。在不可压低速流场中，每一点处的气流总压P 0i 等于该点处的静压和动压22

1

i u ρ 之和，这样用毕托管测定各点的流速的计算式可写为：

)(a p p u i i -=

02

ρ

图2 实验台和测量装置

因此要测平板上气流边界层速度分布，只需要测出沿平板法线（y ）上各点气流总压值即可。实验时，采用多管倾斜压力计进行压强测量，见示意图3。

图3倾斜式多管液柱差压计

这样边界层各测点处的气流速度值为：

φ

γρ

sin 2

i i l u ∆=

式中， w γ ──多管倾斜压力计所使用的水液重度 i l ∆──各测点总压管与外界大气压的液柱高度差

ρ──空气的密度（实验时依据当时室温和大气压计算得出）

φ──多管倾斜压力计的倾角

五、实验测量步骤

本实验测量3个断面的速度分布。断面位置大致为x=150mm，200mm，250mm。实验风速大小依靠调速电机电压来实现，电机应按规定操作，不要乱摸乱动，防止触电。

（1）观察实验装置，了解各种部件构造和作用。旋转千分尺旋钮，千分尺移动顺畅。熟悉千分尺读数，旋钮每转一格，毕托管位移0.01mm。

（2）松开固定平板的螺丝，移动平板，使毕托管管口与平板前端口的距离约为150mm，并记下实际测出的距离数。

（3）将倾斜液柱多管微压计的测压管调到适当角度，通常在30°～50°围某个角度φ即可。若有气泡，将气泡吸出。检查多管压力计液柱高低基准，熟悉其上游标卡尺读取液柱高度值方法。

（4）填写有关实验常数于表1中。

（5）打开实验台桌面的方形孔盖和底板圆形孔盖，启动风机使电压达到120V-150V某个值，稳定2分钟，记下电压值于表1中，实验中保持此电压值不变。注意传压软皮管接口不能漏气。

（6）轻轻移动毕托管，当毕托管抵达平板，确认千分尺的起始读数，并填入表2中。

（7）第一点测量结束后，移动毕托管，进行下一个点的测量。

在最初的几个测点，测点间距约为0.03~0.05mm；随离平板变远，测点间距可逐渐增加为0.1~0.5mm；当发现连续三个测点其倾斜测压管的读数基本不再变化时，即认为测量位置已达层外势流区，本断面测量结束，并将这三点流速值的平均值近似作为层外势流的流速值u0。测量中，按表2规定的容分别填写记录相关数据。

（8）移动平板，对新的断面用以上方法进行测量，将实验数据填写于表2中。

（9）三个断面的测量全部结束后，关闭风机，整理台面，结束实验。

六、实验记录和数据处理表

实验记录和数据处理表见表1和表2。