热工流体综合实验喷管射流场速度分布测量实验

喷管气体自由射流速度场测量实验

一、实验目的与要求

1掌握皮托静压联合测管测定流速分布的基本原理和方法。

2 测量喷管低速气体射流流场主体段不同位置截面上的速度分布。

3 绘制射流场速度分布图，完成结果分析与实验报告。

4.要求原始记录数据及处理数据手填，曲线手绘，回答问题手写。

二、喷管低速自由射流特点

一般流体以一定速度从出口射入同种静止流体，这种流动称为射流。工程上所见的射流均为紊流。当射流发生时，射流轴线附近的流体会发生运动，远离射流轴线的流体保持静止，静止流体与运动流体的分界称为射流边界。

如图1所示，射流从一个半径为r0的出口流出，出口处的流速u 0均匀分布。在出口附近有一个区域，流体的速度仍保持为u 0，称为射流核心区，在核心区的外侧，速度逐渐衰减。射流核心区的范围沿流程是逐渐变小的。到C处，核心区的截面积缩小为零，从射流出口至C截面的部分称为射流初始段，C的下游称为主体段。从射流出口到C的距离约等于4倍射流出口。

图1 喷管低速自由射流流场

众多实验表明，紊流射流主体段的速度分布具有相似性。

例如，按高斯相似性速度分布规律式写为：

2

exp[]

m

u r

u R

⎛⎫

=- ⎪

⎝⎭。

式中，u m 是射流截面中心的速度，r 是点到射流轴线的距离，R 是射流截面半径。r =R 处即是射流外边界。如果喷管射流出口是圆形，则射流外边界是一个圆锥曲面，圆锥顶点就是射流极点。

图1中O x 是射流轴线坐标。射流半径R 沿流程是逐渐增大的，它是x 的函数，R =R (x )；射流截面中心的速度u m 沿流程是逐渐变小的，因此()m m u u x =。实验时，测点处的速度u 是r 和x 的函数，即(,).u u r x =

三、实验装置和测量原理

本实验将测量喷管低速射流主体段若干截面(不同x 值)上气流的速度分布，在航空工程实验中心小型立式气体动力实验台上进行，见示意图2。在一定电压下，风机将气流压入稳压箱，经孔口射出，形成气体自由射流。

采用毕托静压联合测管或简称毕托管进行实验测量。毕托管安装在千分尺支架上，此支架可沿水平方向移动，用以确定毕托管的管口到射流轴线的距离r 。实验前，先将毕托管的管口移到气流出口中心上，记下千分尺的读数s 0。水平移动毕托管后，记下千分尺读数s ，则有r=s-s 0。

千分尺支坐安装在一条竖直标尺杆上，用以确定坐标x 值。在实验中，需测出射流截面至射流出口的距离。测量前，先将毕托管管口移至气流出口中心，记下竖直标尺的读数h 0，毕托管管口移到测量断面后，记下竖直标尺的读数h ，则h -h 0就是测量截面至出口截面的距离x 。

毕托静压联合测管测出的速度下式计算，其中p

和p 分别为毕托管传递的气流总压与静压：

)(20p p u -=

ρ 图2 立式气动实验台

四、测量步骤和方法

1 将毕托管的总压p 0和静压p 分别通过软管接至倾斜式多管液柱差压计上，参见图3。

图3倾斜式多管水液柱差压计

2将多管差压计的测压管调到适当角度，通常在20°～50°范围内某个角度φ 即可，建议φ=35°— 45°。

若测压管内有气泡，用皮囊将气泡吸出。

检查差压计液柱高低基准，会用游标卡尺精确读取液柱高度数值。

3 将毕托管管口移至气流出口中心点，记下横坐标尺和纵坐标尺的读数。

4 打开实验台桌面的方形孔盖和底板圆形孔盖，顺时钟旋转调速器启动风机使电压达到125V ，稳定2分钟, 然后将电压调到125V ～150V 某值，且实验过程保持此值不变。

5 将毕托管支坐移至竖直标尺的某一个位置，并使测量截面至出口的距离x =100mm 。

6 毕托管管口移至射流轴线，然后开始逐点测量，记录测压管液柱长度。测点的间距为2m m ～5mm ，射流轴线附近测点密些，外部测点稀些。通常，每个测量截面安排不少于十个测点。当测点处气流速度u <1 m/s 时，可近似认为此测点已处于射流边界。

采用倾斜式多管液柱差压计，测量速度u （单位:m/s ）用下式计算:

φγρsin 2

0l l u w a -⋅=

其中，a ρ为空气流密度（由气体状态方程求出），w γ为测压管液体重度, 长度的单位用m 。 7 将毕托管支坐移至竖直标尺的一个新的位置，并使测量截面至出口的距离x =200mm ，按（6）的步骤进行新的测量。

8 实验结束，逆时钟方向旋转调速器，调节风速为零。然后关闭电源。

注意：实验中，传压软皮管接口不能漏气。实验时，小心操作，不要随意乱碰乱动!

五、实验记录参数和数据处理

实验条件常数和记录表格见表1，测量数据记录和处理表见表2。用于速度分布曲线绘制的参考坐标格式见图4，并根据所绘制的实验曲线，分析自由射流流场的变化规律。

表1 实验条件和常数记录表

实验时间：地点：指导教师：

实验条件常数

实验设备名称

与编号

大气温度(温度

计读数)（℃）

大气压强（气压

计读数）（Pa）

喷管出口直径

（㎜）

测压管液体重度

γW（N/m3）

测压管倾斜

角度φ（°）

风速管校正

系数ξ

气流密度a

（)

/3

m

kg

1000×9.81取为1

表2 测量数据记录和处理表

x (㎜)

r

(㎜)

总压引起的

l（㎜）

静压引起的

l（㎜）

测点速度计算值

u(m/s)

备注

100

0 2 4 6 8 10 12 15 18 21 24 27 0 2