流体力学-开放式试验教学系统-南京航空航天大学

流 体 力 学

实 验 指 导 书

南京航空航天大学航空宇航学院

人机与环境工程系 2004年4月28日

气动力学多功能实验装置筒述

众所周知．空气动力学的很多研究工作大多数是在风洞中进行的。因此根据风洞的一些基本性质制成了这种空气动力学多功能实验装置。它能提供一种可调节的流量，以配合流体力学讲课内容进行—些教学实验．以加强流体力学课程的实验环节。

如图一所示，多功能流体力学实验装置，包括一个离心风机。通风机从室内吸气排入风道，在风道上装有风量调节阀，用来调节其供气量，气流沿风道进入稳压箱。在稳压箱的下面设有一个长方型的供气出口，在供气出口处可以与收缩段相连，并可接上不同的实验段，在实验段下面设有工作台，台面上有一部分是活动，实验时将桌面上活动部分的桌面盖板拿去，以免限制气流，此实验装置可做下面几种实验。

1、 稳压箱 2、供气出口 3、风道 4、实验桌 5、电源开关 6、风机 7、风量调节阀 8、桌面盖板 9、电机 10、电机支座

图一

一、 平板边界层实验

1、光滑平板或者粗糙平板不同断面流速分布实验 2、整个平板边界层厚度的发展实验 二、 圆柱绕流阻力实验(用两种方法)

1、用天平直接称重量方法测量圆柱绕流阻力。计算阻力系数 2、测量圆柱体表面不同位置的压强分布，计算阻力系数 三、射流实验

1、圆形喷咀射流不同断面流速分布实验 2、收缩形喷咀射流不同断面流速分布实验 3、扁形喷咀射流不同断面流速分布实验 四、 弯道内侧、外侧和径向压力分布实验 五、 升力表演实验

表演不同冲角时飞机的升力

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实验一 流体静力学在测压仪表中的应用

1、绝对压力、表压力，真空度

绝对压力—它是以完全真空为基准所计量的压力，用P表示。

表压力—为绝对压力与大气压力之差，是以大气压力为基准所计量的压力，用Pg表示。

真空— 若流体的绝对静压力低于大气压力，即为负的表压力也叫真空用Pv表示。

以真空与大气压力相比的百分数(Pv/Pa×100％)表示真空的程度。 式中：Pa一场压及环境压力，也就是大气的绝对压力。 上述几种压力之间的关系可表示为

P=Pa+Pg Pg= P- Pa

Pv=Pa-P

绝对压力、大气压力、表压力、真空之间的相互关系可以用图二表示

图二

在物理学中通常用绝对压力来计量压力，而在工程应用中则用表压力计量，这是因为在工程应用中用以测量压力的仪表都是与大气相通的，或者是处于大气压力的环境中。 2、U型管压力计

U型管压力计是一种液体压力计，是根据流体静力学原理制成的测压仪器，其特点有：结构简单，测量精度较高，价格低，能测正负压力和压差，量程短，测压差时承受的静压低。

如图三所示，一根U型管，管内大约一半高度内装有工作介质（如水、水银、酒精等）被测介质可以是气体、液体（但要注意工作介质的重度一定要大于被测介质的重度，并且相互之间不能起化学反应）。

图三

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假定被测介质的重度为γ1，取工作介质的重度为γ2，外界大气的重度为γ3，所测容器内的压力为P，接U型管的一端。大气压力为Pa，接U型管的另一端。

若所测压力是大于场压Pa的表压力，如图所示，令被测介质与工作介质在U型管内的交界处为2，过2引水平线与左支管交于1。由于1、2在同一等压面上，根据帕斯卡原理，因此就有P1=P2

P1=Pa+γ3h1'+γ2h1 将上两式合并、并整理得 P= Pa+γ3h1'+γ2h1-γ1h2'

当大气重度γ3和被测介质的重度γ1都远远地小于工作介质的重度γ2时，γ3h1'、γ1h2' 均可忽略不计。则

P=Pa+γ2h1

如果把Pa当作是另一个容器里的压力时，则 γ2h1=P-P 2

由此可见U型管也可以用来测压差。 3、单管压力计

单管压力计的工作原理与U型管相同，其形状是由一个截面较大的容器和玻璃连通管所组成，如图四，根据连通管的原理，容器内排出的夜体的体积等于进入测量管内液体的体积。若容器的截面积为F2，测量管的截面积为F1，则有 F2h2=F1h1

h=h1+h2=h1+h1F1/F2=h1(1+F1/F2)

由于容器内的截面积F2大大地大于测量管的截面积F1，所以可以将h≈h1 则有P=Pa+γh ,式中γ为工作介质的重度。

特点：具有U型管的一些特点，并还有能承受较高静压的特点。

图四

4、斜管压力计

当测量很微小的流体压力时。为了提高测量精度往往采用斜管压力计，它是单管压力计的一种变形，只是把测量管做成倾斜的。在同一压力作用下，使得倾斜的液柱长度增加，从而提高其测量精度。

如图五所示，所测的压力 P=Pa+γh= Pa+γLsinα 如果略去h2的影响则有P= Pa+γL′sinα

在选用上述几种测压计时要注意：

1、 量程

2、 耐静压的能力

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3、 安装要正确

4、 量程

5、 耐静压的能力 6、 安装要正确 7、 合理选用工作介质

5、大气压力计

工程上为了精确地测量介质的绝对压力，就必需对大气压力进行测量。在实验室里常用的大气压力计是水银单管压力计。

大气压力计的工作原理如图六，它是由一根一端封闭，并装满水银的玻璃管倒置在水银盆内。由于大气压力和重力的作用，在玻璃管封闭的一端形成真空即P=0，根据流体静力学力平衡方程则有： Pa=γh

(式中γ=水银重度)计量大气压力的常用单位为mmHg或mb，或mb，其换算关系为1mb=0.75mmHg）

图五

图六

6、金属压力计

金属弹性元件有很多种，常用的有单圈弹簧管，多圈螺旋弹簧管，金属膜片，膜盒波纹管等。

测压原理：是在被测介质压力的作用下，弹性元件产生弹性变型，在自由端输出角位移或线位移。这些变型再通过齿轮和连杆等连接机构传送给指示器。

由于这类压力计构造简单，使用方便，具有足够的精度，因此被广泛地用于工程试验和实验室内。

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