空氣動力學多功能實驗臺指導書

一、實驗目的
⑴觀察射流結構及速度分布情況；通過測定氣體紊動射流斷面流速分布，了解紊動射流的特性。
⑵學習利用畢托管和微壓計測定氣流速度的原理和方法，測定紊流系數α。
二、實驗原理
射流是指孔口或噴嘴向外噴出，進入另一流體領域的一股流體。射流的運動形態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境中時與周圍靜止的流體之間形成速度不連續的間斷面，間斷面因受干擾失去穩定而產生旋渦，旋渦卷吸周圍流體而進入射流，同時不斷移動、變形、分裂產生紊動，其影響逐漸向內外兩側發展；形成內外兩個自由紊動的混合層，因整個射流場的靜壓是相等的，故沿流動方向沒有任何外力。
由于動量的橫向傳遞，卷吸進入的流體取得動量而隨同原來射出的流體向前流動，原來的流體失去動量速度降低，自由射流的動量保持不變。在混合層中形成一定的流速梯度，又稱剪切層。卷吸與混摻的結果，使射流斷面不斷擴大，而流速不斷降低，流量沿程增加。
由于紊流的間歇現象，射流邊界實際上是一個由紊動渦體和周圍勢流交錯組成的不規則面，但實際分析時從統計平均意義上把射流邊界看成線性擴展的界面。將主體段的邊界線延長交于O點，O點為射流極點。
紊流射流在形成穩定的流動形態后，整個射流分成幾個區段，由噴嘴邊界起向內外擴展的紊動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稱為起始段。  紊動充分發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，用無量綱的半徑驗公式來表示。
                       （21）
式中：  U——測點流速，m/s;
   U_m——量測斷面中心點流速，m/s;
y——測點到軸心的距離，m;
y₀——射流半寬，可按下式估算
                 
式中：R——噴嘴半徑，m;
X——自噴嘴出口到實驗斷面之間的距離，m
θ——射流擴散角。
（估算數值，僅供參考，實驗時應以該測點U=0為判斷條件）。 
二、實驗裝置
阻尼網穩壓箱本裝置配有三種不同的射流噴口，實驗時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段上，均可作圓射流實驗；此外，還配有扁形噴嘴（寬7mm、長120-140mm），可進行扁射流實驗。噴嘴置于試驗臺的穩壓箱底部，噴嘴右側安裝畢托管和測量x標尺 y標尺，畢托管和微壓計相連，以測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              ι=140mm 
三、實驗基本原理：
㈠測定紊流系數
      ⑴根據射流的運動特性，射流起始段及基本段（射程）各斷面上的無量綱（無因次）速度，隨無量綱坐標的分布具有相似性。用射流運動特征公式表示即為：
     （1）
式中：y ——測點距軸心的距離（m）；y₀為射流的半寬度，可按下式計算：
      R ——同截面上邊界層厚度（m）；
     υ——測點流速（m/s）；
υ_m ——斷面軸心最大流速（m/s）。
由此可驗證無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）內選取3的個橫斷面，將所測得的各斷面的υ₀ ，s及噴口的υ₀及γ₀（或b₀）代入式（2）或式（3），便得出3個α值，取平均值，即得紊流系數α。
㈡測定流速
   （4） 
式中：y₀——射流半徑
r₀——噴嘴半徑
X——自噴嘴出口至實驗斷面的距離
θ——擴散角
    （5）
式中：u——測點流速
φ——畢托管修正系數
ρ——酒精密度
ρ——空氣密度
η——測壓計的常數因子
φ——測壓計的修正系數
     （6）
式中： u_m——測量斷面中心流速
y——測點距中心的距離
1.用畢托管在噴嘴出口斷面定出中心坐標即Y_中心，并記錄該值。
2. 確定測量斷面，即出口斷面，起始段內一個斷面，主體段內一個斷面。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一個斷面，從臨界斷面向下一段合適距離為主體段內一個斷面。分別記錄三個斷面的X向坐標。
3.確定所選斷面的測點數和測點步長，由于圓管射流的對稱性，應在射流半徑內確定測量點數、出口斷面、起段內斷面、主體段內斷面。最少測量點數分別為3點、5點、7點。根據所選斷面的射流半徑坐標值（該值應實驗中測得）和射流中心坐標值，以及測點數確定測點步長，即：          
測點步長=測點數
根據測點數和測點步長可確定每次測量點的y值。
4.將畢托管調到噴嘴中心，按啟動按鈕開啟風機，待氣體平穩后開始測量，
首先記錄下中心處的壓差Δh，再根據算得y值，沿射流半徑一個方向測量，每次改變y值后，一定要觀察斜管壓力計中液面穩定后，再進行讀數。
5.測空氣溫度和大氣壓。
四、實驗步驟
⑴檢查及調整實驗設備，如畢托管與測量標尺是否固定好，測量標尺固定螺絲是否松動，多管測壓計水泡是否居中等。
⑵根據實驗要求，調整多管測壓計液面高度（應齊平），確定傾角α。
⑶將畢托管用橡皮管與測壓計連接（此時各玻璃管液位同高）。
⑷去掉實驗臺上面板，接通風機電源，開機。
⑸打開風門，將畢托管放到測定點，預定流體的出口速度、不同射程s與斷面速度，以及軸心速度（均由動壓換算）。
⑹測定大氣壓和氣溫。
⑺實驗完畢后關閉風門，停機，切斷電源，收拾好儀器設備使設備恢復愿狀。
五、  實驗報告及成果要求
1.記錄有關常數。
2.計算測點流速u與u_m，并繪制流速分布圖，（注意統一單位）。
3.用半徑經驗公式標出20個點，繪制與計算關系圖。將主體斷面的實測與繪在上圖內進行比較。
六、討論題
1.當實測的與關系曲線不與經驗公式算出的關系曲線重合時，試分析誤差原因。
2.分析氣體紊流射流規律為什么采用無因次量表達？

















         （11-1）
         （11-2）
對扁射流，             （11-3）
式中：R₀為圓柱形噴嘴半徑；b₀為扁形噴嘴寬度；x為自噴嘴出口到實驗段面的距離；θ為射流擴散角。
公式（11-1）也適用于起始段邊層中的流速分布，此時式中的y為斷面上任意點至核心邊界的距離；y₀為同一斷面上邊層的寬度；u為斷面上邊層中y點的流速；u_m為核心流速。
量測斷面各測點流速由畢托管測定，畢托管與酒精微壓計相連，以測定其動壓，其流速計算公式為：
           （11-4）
式中：Ф為畢托管修正系數；γs為酒精容重；γa為空氣容重；ι為微壓計斜管中液柱長度；ψ是微壓計修正系數；為由單位換算引出的系數，n為微壓計常數因子。

圖11-2   紊動射流結構圖
四、實驗步驟
（一）調平微壓計的水平泡，確定斜管的傾斜位置在常數因子n=0.6處，調整斜管內的液面到零位，將畢托管的動壓（或總壓）管接頭接到微壓計多項接頭的“+”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。
（三）確定量測斷面，估算量測斷面的射流半寬度y₀值，因y₀值不易測準確，常采用流速等于u_m/2處的y值，確定畢托管大致移動范圍。應量測三個斷面，即出口斷面、起始段一個斷面和主體段一個斷面；出口斷面可測7個測點，其它斷面測13-15個點。
（四）接通多功能實驗臺電源。將畢托管調到噴嘴中心。慢慢開啟試驗臺氣流調節閥，使出口斷面斜管微壓計的斜管中的酒精柱在100mm左右，待氣流平穩后開始量測。首先記下中心處的微壓計斜管液柱壓差ι值，中心點兩側的測點處相同，再測定不同y值處的壓差值。根據流速分布變化來定合適的測點間距。
（五）測空氣溫度和大氣壓。實驗完畢斷電停機。檢查微壓計斜管內液面是否回零。
五、成果要求與分析
（一）計算各量測斷面上的測點流速u，繪制各斷面流速分布圖，定出軸心最大流速u_m。見圖11-3。
（二）計算主體段斷面的無量綱流速和無量綱坐標y/ y₀；繪制無量綱流速分布圖，見圖11-4并和半經驗公式（11-1）進行比較。
六、注意事項
若多功能試驗臺為兩臺共用一個通風機時，實驗時應盡量避免互相干擾。
七、思考問題
（一）無量綱流速分布半經驗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，實驗結果是否一樣？
（三）若采用扁形噴嘴，射流實驗結果和圓斷面射流會有什么不同？
八、實驗附錄
（一）收縮形噴嘴流速分布實測值
1.常數
噴嘴半徑R₀=15mm        畢托管修正系數φ=0.998
噴嘴擴散角θ=10.5°      空氣溫度t=15°
微壓計常數n=0.6         氣體密度ρa=1.24kg/m²
酒精密度ρ=810kg/ m²     大氣壓
微壓計修正系數Ψ=0
2.記錄

序號 №	測針讀數 （cm）	Y （cm）	微壓計斜管讀數 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）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）射流起始段長度的測定

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關系曲線圖可以看出，當x/R₀≤6.8時，u_m/u ₀=1.0；當x/R₀>6.8時，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（勢流核）的長度，由下表可知，其始段長度為x₀=6.8 R₀=6.8×15=102mm。根據前人實驗成果，一般起始段長度為x₀=（6.8 -10）R₀，即（3.4-5）d，本實驗成果在此范圍內。
 

 
 
 
 
 
 
 

圖11-5    u_m/u₀與x/R₀關系曲線圖
表2
R₀= 15mm  溫度t=18℃  大氣壓力  微壓計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

實驗設備
實驗在小型空氣動力學實驗臺上進行。采用圓柱形噴嘴，噴嘴直徑30mm。
實驗步驟
1、調平微壓計的水平泡。確定斜管的傾斜位置。調斜管內液面到零位。將畢托管的全壓管接到微壓計多項接頭的“+”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。
3、確定量測斷面，估算量測斷面的y₀值，確定畢托管大致移動范圍。每個實驗小組測出三個實驗斷面，即出口斷面、起始和主體段各選一個斷面。出口斷面可測7個點，其它斷面測13~15個點。
4、接通電源，去掉實驗臺面上活動蓋板。
5、將畢托管調到噴嘴中心。慢慢開啟氣流調節閥到所需位置。待氣流平穩后開始測量。首先記下中心點處的壓差△h，中心點兩邊測點數相同，再測各測點的壓差。
6、沿中心線向下移動畢托管，當微壓計讀數開始變化時記錄該點的X坐標，此點所在斷面為轉折斷面。
7、分別向上及向下移動畢托管到所選測斷面，找出射流邊界，根據流速分布變化，確定合適的測點間距。記錄各測點的坐標有微壓計讀數。
8、測定大氣壓及空氣溫度。
9、檢查記錄、關閉電源、清理現場。
記錄及實驗結果
1、將實測數據填入記錄表格。
2、繪出射流結構圖。
3、計算各量測斷面上測點流速U，定出中心點最大流速，繪出速度分布圖。
4、計算主庥斷面無因次速度U/U_m和無因次坐標y/ y_0, 繪出無因次速度分布圖，與半徑公式相比較。

姓名   同組人   日期
設備編號                     微壓計編號 噴嘴形式                     酒精容重 中心點標心讀數                 空氣溫度 大氣壓強
斷面			測點		微壓計讀數1(mm)	中心點流速Um(m/s)	中心點流速Um(m/s)	y/ y0	U/Um
編號	位置 X	半寬 y0	編號	位置 y1