实验技能课实验指导书

一、 实验原理

在理想不可压流体中，毕托管测速的理论公式为：

P0P此式表明：知道了流场中的总压（算出流体速度。

U22

P0）和静压（P），其压差即为动压；由动压，可

U2(P0P) 毕托管的头部通常为半球形或半椭球形。直径应选用d0.035D（D为被测流体管道的内径总压孔开在头部的顶端），孔径为0.3d。静压孔开在距顶端（3～5）d处，距支柄（8～10）d的地方，一般为8个均匀分布的0.1d小孔（NPL为7孔）。总压与静压分别由两个细管引出，再用胶皮管连接到微压计上，即可测出动压，从而可计算出流速。



图1毕托管测速原理图

1

若要测量流场中某一点的速度，需将毕托管的顶端置于该点，并使总压孔正对来流方

U2向，通过微压计就能得到该点的动压。在来流是空气的情况下，有

2P0Ph是空气的密度，是微压计中工作液体的重度，h是微压计的读数）。但是由于粘性及毕托

，（2不是正好满足的，需要进行修正。根据1973年英国标准管加工等原因，

BS-1042：Part2A1973的定义：

P0PU21P0PCU22

C－毕托管系数。所谓毕托管标定，就是要把C的数值通过实验确定下来。

标定毕托管一般是在风洞中进行的，要求：（1）风洞实验段气流均匀，湍流度小于0.3％；（2）毕托管的堵塞面积小于实验段截面积的1/200；（3）毕托管插入深度h>2nd(n=8,d为毕托管直径)；（4）安装偏斜角小于2º；（5）以d为特征长度的雷诺数必须大于250；（6）

2000dS（是空气动力粘度，dS为静压孔直径）。这几点如能得到满

最大风速不能超过

CC0足，C就决定于毕托管的结构，此时称为毕托管的基本系数。流体力学实验室从英国进口了一支经过标定的NPL毕托管，C=0.998。

毕托管进行标定时，将待标定的毕托管 与NPL标准管安装在风洞实验段的适当位置上（总的原则是让两支管处于同一均匀气流区）因为是均匀流，则有

上面两式中，、U、均是同一的。两式相除，得

C标准U2P标准h标准2 C待标U2P待标h待标2

C待标C标准则

h待标h标准

C待标C标准h待标h标准

C标准0.998C待标0.998h待标h标准

上式是毕托管标定的基本公式。通常是在10个不同风速下测量其可以用10种不同风速下的

C待标取其平均值；也

h待标和

h标准按最小二乘法求其基本系数。

2

二、 实验仪器和设备

1. 低速回流风洞。

2. NPL标准毕托管，待标定毕托管。 3. 钟罩式精密微压计。

三、 实验目的和要求

要求用所给实验仪器和设备，设计一套标定毕托管的实验装置和实验方案，画出实验装置图并连接实验装置。通过本实验，达到以下目的： 4. 了解毕托管测速原理及标定方法。 5. 学会求出毕托管基本系数的方法。

四、 实验装置图

图2 毕托管标定实验装置图

五、 问题讨论与思考

1. 2. 3. 4. 5.

毕托管测速的基本原理是什么？ 实验前应做好哪些准备工作？ 影响毕托管系数的因素有哪些？ 讨论产生实验误差的主要原因。 如何提高用毕托管测速的精度？

3

实验2-5低速风洞调速

一、实验原理

天津大学流体力学实验室低速风洞为闭口回流式风洞，是天津大学力学系应用力学教研室的老师们于上世纪六十年代初在张国藩校长的带领下克服重重困难，自行设计建造的，风洞于1964年建成并投入使用。十年浩劫中，风洞历经劫难，险些被毁。改革开放以后，风洞在流体力学教学和科研中发挥重要作用，为流体力学学科的发展和建设立下汗马功劳。该风洞主要由实验段、收缩段、扩散段、稳定段、风扇整流系统、驱动电机和控制系统等部分组成。常用风速是（2～40）米/秒，由22千瓦的三相异步电机驱动风扇产生。实验段截面为切角的矩形（形似八角形），宽0.8米，高0.6米，其长度为1.5米。整座风洞占地面积约为11×4.7米2。

图2-5-1 天津大学流体力学实验室低速回流式风洞

电机的转数是通过SVF－303变频器来控制的，从而实现风洞实验段气流速度的改变。电机转数通过数字式转速表测量，实验段风速则用毕托管测定。实验结果表明：风速与单位时间内电机转数之间为线性关系，即电机转数的高低，反映实验段气流速度的高低，并且一一对应。

根据英国标准BS－1042 : part 2A1973的定义，流速

U式中

2PC (a)

U—流速，m/s

4

P—毕托管测出的差压，N/m2 —气流密度，kg/m3

C—毕托管系数，现用NPL标准毕托管，C＝0.998。

因为是精确测量，要考虑空气密度的变化。 由完全气体的状态方程

P＝RT

当空气从某一状态P0、0、T0变化到另一状态P、、T，则由P0＝R0T0和 P＝RT可得

PT00P0T (b)

选取标准大气为已知状态，即取 (c)

设测压计工作液体是水，则

P水h 3水9810N/m (d)

将(b)、(c)、(d)代入(a)，经整理得到

U4.04式中

B—当时当地大气压，mmHg t—气流的温度，℃

760273th

B293 即为风洞实验段气流速度计算的实用公式。

h—测压计读出的差压，mmH2O

近似估计时，可用

U4.04h

在导出上述公式时，是用环境压力（大气压）代替实验段静压进行计算的。对于我们的风洞，两者差别不到10mmH2O，对速度的影响小于万分之四，因此对于一般性试验，作这样的处理是完全允许的。

二、实验目的和要求

1、掌握低速回流式风洞基本构造和主要部件的功能； 2、理解风洞变频调速原理，学会开风洞；

3、学会用热线风速仪和TSI-1210-T1.5单丝热线探针测量风洞试验段气流的平均速度；

5

4、学会用毕托管测量风洞试验段气流平均流速；

5、了解毕托管测速和热线测速之间的差异及其产生的原因； 6、学会用转速表测量电机转速；

7、了解天津大学流体力学实验室低速回流式风洞的建造历史。

三、实验仪器和设备

1、低速回流风洞；2、IFA300恒温热线风速仪；3、TSI1210-T1.5单丝热线探针；4、三维步进电机控制坐标架；5、计算机及实验数据分析软件；6、毕托管；7、补偿式微压计；8、气压计；9、温度计；10、数字式转速表。

四、实验装置

图2-5-2

1. 转速表 A. 稳定段 E. 回流段

2. 计算器

3. 微压计

4. 气压表 C. 实验段 G. 风扇整流系统

5. 毕托管 D. 扩散段 H.电机

B. 收缩段 F. 拐角导流片

五、实验操作步骤

1、做好准备工作。如打开仪器电源开关、预热、微压计调零、检查风洞和电机以确保安全，参加实验人员分工等。

2、开启风洞，将电机转数调到能维持正常运转的最小转数，作为实验的起始状态，待稳定后，记下此时的转数、微压计读数及风洞实验段的气流温度。

3、按需要增大电机转数，待稳定后记录上述三项数据，如此直到允许的最大转数为止。 4、根据实验情况决定是否需要重复试验。 5、停止风洞运转，整理有关仪器。

6、将大气压强、气流温度、微压计读数代入流速计算公式计算，这一工作可事先编好程序，

6

用计算器（或计算机）来完成。 7、编写实验报告。

六、问题讨论与思考

1、风洞实验段气流速度与电机转数之间存在什么关系？为什么？

2、实验段气流温度变化怎样？原因是什么？如何减缓实验段气流温升？ 3、实验段气流温度变化对毕托管测速和热线测速影响如何？ 4、试分析毕托管测速和热线测速结果有何差异？原因是什么？

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实验1-10 圆出口自由射流的流动显示

一、实验原理

流体从喷管中喷出后，不仅沿喷管轴线方向运动，还会发生剧烈的横向运动使得射流与原来静止的流体不断掺混，进行质量与动量交换，从而带动周围的静止流体一起运动。观察自由射流的瞬时流动，可以看到瞬态流动结构是极不规则的（如图1所示）。

图1 圆出口自由射流瞬态不规则流动结构

由于激光的亮度高，方向性好，所以可以用作流动显示的光源，得到的流动图像清晰度高。而流场显示和测量经常需要在某个特殊截面上进行，如对流场中的涡和湍流量的观察，这就需要照明光源呈薄平片状。而激光器直接发出的激光是一个发散的光斑，如果在激光器输出端加上片光源，激光束就可以透过柱型透镜而改变激光束的形状，成为一个平面内的光束，这样的平面光照在流场中，近似代表了一个平面上的流场运动状态。

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图2 激光片光源显示的圆出口自由射流纵向截面

为了增强显示效果，需要在流场中投放适当的粒子，粒子的大小和浓度要达到观察或拍摄所需的散射光强度，并且粒子能够跟踪当地空间流场的流动速度，这样用高速摄像机或数字式CCD可以拍摄到一定时间段内某流场平面内的流动状态。家用加湿器能够产生大量的液体微粒，这些粒子的大小比较均匀，浓度也很高，在激光束照射下，散射性能较好，使得流动图像能够满足观察和分析的要求，同时微粒质量较轻，从加湿器出口射出后能够代表当地的流速，形成一个典型的射流场。

将激光片光源和加湿器结合起来，完全可以实现对典型射流场的流动显示，通过改变加湿器出口的喷嘴形状，可以改变射流的方向，这样可以很容易地对射流的径向和轴向截面(如图3所示)进行观察或纪录。

二、实验仪器和设备

1、激光片光源 2、加湿器 3、射流风洞 4、发烟机 5、坐标架

6、相机、高速摄像机或数字式CCD

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三、 实验目的和要求

要求用所给实验仪器和设备，设计圆出口自由射流流动显示的实验，拍摄出清晰的圆出口自由淹没射流纵向和横向瞬态流动结构图像，通过数字图像处理技术，测量射流核心区，射流极点、射流扩散角及初始段长度等流场特征量。通过本实验达到以下目的： 1． 用流动显示的方法直观、形象地认识圆形出口射流流场及瞬态流动结构发展、演化的特

征，了解圆形出口与加齿圆形出口射流从层流、扰动失稳、转捩、到发展为湍流的过程； 2． 熟练掌握用相机、高速摄像机或数字式CCD拍摄记录流动图像的技术； 3． 掌握流动图像分帧、滤波去噪等图像预处理技术； 4． 了解激光片光源在流动显示中的作用； 5． 了解示踪粒子在流动显示中的作用；

6． 了解圆出口自由射流流场的瞬态流动结构特征；

7． 掌握定量测量射流核心区，射流极点、射流扩散角及初始段长度等流场特征量的数字图

像处理技术；

四、问题讨论与思考

1. 拍摄曝光时间和曝光量与哪些因素有关，如何设置曝光时间、曝光量和拍摄模式能够

得到最佳效果的图像？

2. 为了清晰拍摄圆出口自由射流瞬态流动结构的动态变化过程，对高速摄像机或数字式

CCD的时间分辨率有何要求？如不满足上述要求，对拍摄的效果会有何影响？

3. 为了清晰拍摄圆出口自由射流瞬态流动不规则结构，对高速摄像机或数字式CCD的空

间像素分辨率有何要求？

4. 对于用CCD拍摄的流动图像，如何得到定量的速度及涡量分布？

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实验1-11 用毕托管测量自由射流平均速度剖面

一、实验原理

射流（如图1所示）是工程中广泛存在的流体流动形式，有着很强的工程应用背景，工程技术中的大量问题与射流密切相关。射流中复杂的流动结构来源于射流边界与周围环境的强剪切作用。例如，内燃机中雾化燃料和空气的混合物从喷嘴射入燃烧室并点火燃烧就是射流，随着人们环保意识的日益提高，如何提高雾化燃料和空气的混合燃烧效率，降低尾气排放，以节约能源、保护环境；在化工领域，很多化学反应都是在射流过程中完成的，控制射流边界，增强卷吸混合效果可以加快化学反应速度，提高物料混合和传热、传质效率；在航空航天领域，射流的智能控制可以有效地提高推力矢量的精度，提高飞行器的机动性能。非圆型出口射流控制是进行射流被动控制的有效技术，以不用花太大的代价，仅靠改变射流出口的几何形状就可以显著改善以射流及其瞬态流动结构的发展演化过程，增强射流与环境流体的混合。在钻井过程中，在钻头上合理配置多个非对称加齿出口的高压泥浆射流，利用产生的非对称压力和剪切力可以有效提高钻井的速度和效率。

通常可认为射流在喷口处平均速度是均匀分布，流体从喷管中喷出后，不仅沿喷管轴线方向运动，还会发生剧烈的横向运动使得射流与原来静止的流体不断掺混，进行质量与动量交换，从而带动周围的静止流体一起运动。离喷口越远，被带动的质量越多，随着离喷口的距离增大，各截面上的速度分布逐渐改变，故射流呈扩散状。

初始段 主体段 α O h0 RU0 αRc 1 u r r0.5 u0 1/2u0 R u0=U sc xc s 图1 圆出口自由淹没射流平均流场示意图

二、实验仪器和设备

1、空气动力学多功能实验装置（或低速射流风洞）

在本实验中采用VEB型小型吹入式直流射流风洞作为湍射流的发生装置，如图2所示。

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该射流风洞由轴流风扇动力系统、前直管段、两级收缩段以及直管喷口等几部分组成。其喷口直径D为80mm，出口流速在0～30m/s之间连续可调。

图2. VEB型小型吹入式直流射流风洞

2、毕托管

3、微压差计 4、小型坐标架

三、实验目的和要求

要求用所给实验仪器和设备，设计测量圆出口自由淹没射流各横截面上平均流速空间分布的实验装置和实验方案，画出实验装置图并连接实验装置。要求通过本实验，测出x＝2d，4d，6d各截面上的速度分布曲线；确定射流核心区，射流极点、射流扩散角及初始段长度等。绘出各横截面上平均速度分布曲线（如图3所示）。通过实验达到以下目的： 1、学会用毕托管测量气流的平均速度；

2、了解轴对称或矩形自由射流平均流速空间分布规律； 3、通过各射流截面流速分布测量确定射流核心区。

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图4 圆射流0—7D各截面的流向速度剖面分布

四、实验条件参数及公式

空气温度t＝ ℃；大气压强Pa＝ mmHg； 喷口直径(宽度b)d＝ mm；

流速计算公式

760273tu4.04h （m/s）

Pa293Rd射流扩散角 tg R0喷口半径

2x2xT—转折截面至射流极点距离

五、问题讨论与思考

1、轴对称射流为什么呈喇叭形？ 2、射流各截面的流量是否相等？ 3、射流边界上流体速度是否为零？

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实验2-1单丝热线探针的标定

一、实验原理

1、热线测速原理

热线测量流速技术起源于二十世纪初，是流体力学实验技术进步的一个里程碑，它使流体力学研究者获得了测量高频非定常流动特别是湍流的有力工具。在流场中放置通过电流加热的金属细丝敏感组件时，由于电流的热效应，金属丝会产生一定的热量，如果金属丝与周围环境流体存在温差，它与周围流场就存在热交换过程，如果周围环境流体处于流动状态，热交换过程就以强迫对流为主，热线与周围环境流体的温差和流体的流速决定了强迫对流输运的热量。当热线与周围流体介质之间的热交换处于平衡状态时，电流加给热线的热量应与强迫对流输运的热量相等。周围环境流体流速的变化会导致强迫对流输运的热量变化，从而引起电流加给热线的热量的累积或亏损，进而引起敏感组件的温度变化和其电阻的变化。根据热平衡原理，任何时候热线由于温度升高所产生的热量应该等于流速上升所耗散掉的热量；反之，任何时候热线的温度降低所损失的热量应该等于流速降低所积累的热量。当加热电流保持恒定时，这种变化表现为热线两端输出电压的变化；当利用负反馈电路补偿电阻变化使电阻保持恒定时，表现为热线电流的变化和热线两端输出电压的变化。这两种情况都可以建立起流体速度与热线两端输出电压的函数对应关系。这样就可以通过测量热线两端输出电压确定环境流体的速度，这就是热线测速原理。

在热平衡过程中，涉及到流速、加热电流和热线温度（或电阻）三个基本量，它们之间有一定的对应关系：当加热电流保持恒定时，热线温度（或电阻）和流体流速之间建立了确定的函数关系，利用这个关系测量流速的方法称之为恒流法；当保持热线温度（或电阻）恒定时，热线的电流和流体流速之间建立了确定的函数关系，利用这个关系测量流速的方法称之为恒温法。根据上述两种不同原理制成的测速仪分别称为恒流式测速仪和恒温式测速仪。

恒温热线测速仪具有热惯性小，频响宽等特点。目前其频响已超过500千赫兹，完全满足湍流中出现的各种频率成份的需要。而恒流式热线测速仪缺乏恒温式测速仪的上述特点，它的热惯性效应比恒温式测速仪大得多，电子补偿也较困难，不过它在测量温度脉动和低湍流度上仍有很大的优越性。

在忽略热传导（热丝长径比在100以上），热辐射（辐射散热面积小）和自由对流（风速大于10cm/s）的情况下，热耗散主要取决于强迫对流。在假设热线是无限长，热损耗率仅决定于垂直于热线的速度分量时，上述热平衡原理可表示成King公式：

2 IwRw(TwTe)(ABU)

（1）

其中：Iw——加到热线上的电流，Rw——热线电阻， Tw——热线温度， Te——气流温度，

U——气流速度，A、B是与流体和热线有关的物理常数。

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这个假设只有在层流流过放置在均匀且未受扰动的流场中的无限长的柱体时才是准确的。由热线电阻与其温度之间的关系：

TwTe其中：Re——温度Te时热线电阻

——热线材料的电阻温度系数 将（5-2）代入（5-1）得：

RwRe （2）

ReIwRw两端同乘Rw有：

2RwRe(ABU)

Re2 （3）

IwRw那么，（5-4）式可以表示成

22R(RwRe)w(ABU) （4）

ReE2A'B'U （5） 23RwBRwA其中 EIwRw，A，B

Re

由于热线探针是通过电压（E）与流速（U）的关系曲线来确定流速的，因而准确地给出E—U关系是测速的前提。通过实验求得E—U关系的过程，称之为热线探针的校准。另一方面，探针性能受其材料、制造工艺、几何尺寸、流体的物理性质、环境参数、与仪器的配合使用等多因素的影响，所以对每一支探针，在使用前都需要做校准实验。

校准工作在校准器上完成。固定探针时要求热线与喷嘴中心线垂直，到喷口距离为1/2喷口直径。校准可以有两种姿态。“End Flow”——即喷口中心线与探针支杆方向一致，与“Cross Flow”——即喷口中心线与探针支杆垂直，如图2-1-1所示。在使用探针进行测量时，要求其安装姿态与校准时一致。

图2-1-1 探针姿态示意图

2、压差与速度的关系

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将微压计的高压输入端与校准器储气室测压孔用导管连接，低压端与环境大气相通。利用压差与流速的对应关系可以得到速度值。对于不可压流体（流速小于100m/s），列出测压孔（位置1）和喷嘴所在断面（位置2）的伯努利方程，

U2p2gy1gy2 （6） a2ay1≈y2，再由微压计两端的压差关系p1p2wgh，可得：

p1U2wagh （7）

a是空气的密度，w是水的密度，其中，U是气流速度，Δh是微压计计数，单位是mmH2O。

输入环境参数与压差后，恒温热线风速仪将按照公式自动计算出相应的速度值。

二、实验仪器和设备

1、热线探针 单丝热线探针是测量流体一维速度分量的传感器，分为普通单丝热线探针（如图2-1-2所示，型号TSI1210-T1.5）和边界层单丝热线探针（如图2-1-3所示，型号TSI1211-T1.5测量近壁区域的一维速度分量）两种。

图2-1-2 TSI1210-T1.5单丝热线探针

图2-1-3 TSI1211-T1.5单丝边界层热线探针

2、IFA-300恒温热线风速仪

IFA(Intelligence Flow Analysis)300恒温热线风速仪（如图2-1-4所示）是天津大学流体力学实验室于1999年从TSI公司购进的1997年产品，用于湍流的实验测量。该设备从热线标定到数据采集到数据处理都可以通过IFA300 Thermalpro软件实现。TSI的新型

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IFA300恒温热线风速仪是一种计算机控制的具有自动频率最佳化功能的热线热膜风速仪，允许风速仪连续地感受流动速度并自动地调整风速仪，能够实时地实现最佳化频率响应。

图2-1-4 IFA-300（恒温热线风速仪）

IFA300恒温式热线风速仪的主要特点是：

1. 原理： 采用闭环Wheatstone电桥反馈控制；

2. 自动频率最佳化功能：采用 SMARTTUNE最佳化电桥补偿，能够对所有测量速度自动、实时地最佳化，不需要做方波试验，操作十分简单方便；

3. 频率响应（T1.5热线）：300kHz，25:1电桥。对湍流和高速流能精确的测量； 4. 电阻测量和工作电阻调节： 自动测量和调节敏感元件的电阻、工作温度； 5. 最大工作电阻： 280，工作在一个很宽的敏感元件变化范围； 6. 精度： 0.1%0.01

7. 最大探针电流：1.6amp，25:1电桥，可在水探针、高速流、高温流中工作； 8. 探针电缆长度： 5m或30m；

9. 等效放大器输入噪声： 1.7mv/Hz低等效湍流强度；

10. 放大器输入漂移： 0.3uv/C;

本实验用的IFA300恒温式热线风速仪有4个通道。如果用一个通道，其采样频率可设至714.285kHz，使用两通道时其频率可设为416.666kHz，使用三通道其频率可设为

就其采样频率而言完全能满足湍流测量要求，而且对采集到的数据图像可以277.777kHz。

实时显示。

3、TSI1128A型热线风速校准器

本实验中使用的单丝热线探针是由实验室的TSI-10170型电焊设备焊接的，因此在使用前需要进行标定。TSI-1128A型热线风速校准器可提供流速在0~50m/s之间连续可调的标准流场，以标定单丝、双丝或三丝热线探针。热线探针校准器提供了一个标准的射流流场用于标定热线探针,圆射流喷口直径为D=10mm，其校准装置示意图如图2-1-5所示。将它与IFA300相连，可实现热线探针的标定。校准器（如图2-1-6所示）工作过程大致如下：将

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自配的空气压缩机（如图2-1-7所示）与之相连作为气源，气体通过空气过滤器和一系列阀门进入校准器和贮气罐；调节校准器的调速旋钮，通过监视计算机上显示的速度值，使校准器射流出口速度达到所需值。将探针垂直来流放置进行标定，通过一组不同的给定流速，同时记录下对应的电压，即可得到一组流速与电压的对应关系,对实验点进行曲线拟合，即：

VeffKAEBE2CE3DE4

系数K、A、B、C、D通过标定实验确定。图2-1-8和图2-1-9为IFA300恒温式热线风速仪对TSI-1210T1.5型单丝热线探针进行标定得到的电压—流速曲线。

图2-1-5 校准设备装置图

图2-1-6 热线探针校准器 图2-1-7 空气压缩机

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1.7

E1.61.51.41.31.21.105 Calibrating data Calibrating curve 1015

2025303540v图2-1-8 单丝热线探针标定曲线

三、实验目的和要求

要求用所给实验仪器和设备，画出实验装置图并连接实验装置，按照操作步骤进行单丝热线探针标定实验。通过本实验，达到以下目的：

1、了解热线测速的基本原理； 2、掌握单丝热线探针的标定方法；

3、掌握TSI-1128A型热线探针校准器的使用方法。

四、实验操作步骤

1、按实验装置图布置好仪器，将热线探针支杆固定在坐标架上。正确连接电缆，将热线探针专用电缆一端与热线探针支杆连接，另一端与热线风速仪连接，用通讯电缆将热线风速仪与计算机com1通讯口连接，热线风速仪输出电缆与计算机数据采集卡（A/D卡）连接。 2、调整微压计水平仪和零刻度，用软管连接微压计和校准器的测压孔。

3、记录下环境压强和温度，检查热线风速仪电源开关，计算机电源开关均处于断开位置，接通热线风速仪电源，计算机电源，开启压缩机。

4、启动热线风速仪测速软件，进入IFA300软件界面，选择“Calibration”下的“Probe Data”。点击“Open Cal File”，给待标定探针命名，选择相应的参数。 “Probe Type”选择S——单丝热线探针， “Wire Film”选择W——热线，

“Cal Method”选择2——获得电压与输入压差

5、点击“Read”，连接短路帽，测量电缆电阻并保存数值。移去短路帽，安装好热线探针，测量探针冷电阻。将探针冷电阻乘以1.5再加上线路电阻，结果输入“Opr Res”栏。 6、点击“Gain & Offset”，转动校准器的流速调节阀，旋至合适的压差值，分别测量最低及最高流速下的压差值，计算输出电压的增益与偏置并保存。

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7、点击“Calibrate”，输入环境压强与温度。选择计算速度时使用的压差单位为“mmH2O”。调整压力调节阀使斜管微压计的读数稳定在给定的压差值，输入压差，点击“Acquire”测量此时探针的桥路电压值。重复进行，直至所有校准点进行完毕。 8、点击“Next”，观察记录标定数据。 9、退出软件，关闭整理好各仪器。 10、绘制标定曲线。

五、问题讨论与思考

1、热线测速的基本原理是什么？ 2、为什么要对热线探针进行校准？ 3、流动方位对热线探针的标定有何影响？ 20

实验2-3用热线风速仪测量自由射流平均速度分布

一、实验原理

自由淹没射流是日常生活和生产过程中常见的流动现象，通常可认为射流在喷口处平均速度是均匀分布，流体从喷管中喷出后，不仅沿喷管轴线方向运动，还会发生剧烈的横向运动使得射流与原来静止的流体不断掺混，进行质量与动量交换，从而带动周围的静止流体一起运动。离喷口越远，被带动的质量越多，故射流呈扩散状（如图2-3-1所示）。随着离喷口的距离增大，各截面上的速度分布要改变。

图2-3-1 射流速度剖面示意图

二、实验目的和要求

1、用热线风速仪和单丝热线探针测量圆出口自由射流x=0d，1d，2d，3d，4d，5d，6d各截面上的流向平均速度，确定射流核心区，射流极点，射流扩散角及初始段长度，了解轴对称或矩形自由射流平均速度分布规律，通过热线测速认识圆形出口自由射流平均流场的发展、演化特征。

2、熟练掌握热线测速技术，学会用IFA300型热线风速仪和单丝热线探针精细测量圆出口自由射流不同流向、径向位置的平均速度。

3、能够编写数据处理程序，计算圆出口自由射流各截面上的平均速度。

4、能够用绘图软件描绘圆出口自由射流各截面上的流向平均速度分布曲线和不同法向位置

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的流向平均速度沿轴向的演化曲线。

三、实验仪器和设备

1、 射流风洞；

2、 IFA300恒温热线风速仪； 3、 TSI1210-T1.5单丝热线探针； 4、 三维步进电机控制坐标架； 5、 计算机及实验数据分析软件。

四、实验装置

图2-3-2 测量圆出口自由射流速度剖面实验装置图

五、实验操作步骤

1、记录基本实验参数：气温、气压、喷口几何参数d。

2、连接实验装置，将圆形喷嘴固定在射流风洞出口上，将标定好的热线探针固定在探针支杆上，将热线探针缩入保护套内，将热线探针支杆固定在三维坐标架上，记录探针坐标。 3、将热线探针专用电缆一端与热线探针支杆连接，另一端与热线风速仪连接，用通讯电缆将热线风速仪与计算机com1通讯口连接，热线风速仪输出电缆与计算机数据采集卡（A/D卡）连接，用通讯电缆将三维步进电机坐标架控制器与计算机com2通讯口连接。 4、检查风洞电源开关，热线风速仪电源开关，步进电机坐标架控制器电源开关，计算机电源开关均处于断开位置，接通风洞电源，热线风速仪电源，步进电机坐标架控制器电源，计算机电源。调整坐标架，使探针到达第一个测量点位置，调节风洞至所需要的风速。 5、启动热线风速仪测速软件，进入IFA_300软件界面，调入测量点空间位置坐标文件，调

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入热线探针文件，调入三维步进电机坐标架驱动程序。

6、选择“Acquisition”下的“Probe Table”，点击“Add Probe”选取相应的探针标定文件。点击“Get File”，为实验记录文件命名。点击“Next”，在新窗口中输入大气压。“Mode”项选择“Write Only”，指定每个测点测量的频率与样本点数。 7、点击“Acquire”，进行空间逐点连续测量。

8、结束实验，将风洞调至最低风速，关闭风洞电源，热线风速仪电源，步进电机坐标架控制器电源。卸下热线探针放入探针盒中，将热线探针支杆插入保护套内，整理仪器设备。 9、处理实验数据，利用IFA_300软件将测量到的电压信号转换为速度信号。

10、编写实验数据分析处理程序，计算各测点平均速度。描绘平均流场图，如图2-3-3所示，编写实验报告。

图2-3-3 圆射流0—7D各截面的流向速度剖面分布

六、问题讨论与思考

1、 射流各截面的质量流量是否相等？ 2、 射流边界上流体速度是否永远为零？ 3、 圆出口射流核心区长度与哪些因素有关？

4、 如何根据平均速度剖面测量圆出口射流核心区长度？ 5、 如何确定射流中心线的位置？

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实验1-16 各种管道的流动显示

一、实验原理

KL型流动显示仪组成如图一所示。该仪器以气泡为示踪介质。狭缝流道中设有特定边界，用以显示内流、外流、射流元件等多种流动图谱。半封闭状态下的工作流体（水）由水泵驱动蓄水箱5（图1-1）内的水经掺气后流经显示板，形成无数小气泡随水流流动，在仪器内的日光灯照射和显示板的衬托下，小气泡发出明亮的折射光，清楚地显示出小气泡随水流动的图象。由于气泡的粒径大小、掺气量的多少可由阀4调节，故能使小气泡相对水流动具有足够的跟随性。显示板设计成多种不同形状边界的流道，因而，能十分形象、鲜明地显示不同边界流场的迹线、边界层分离、尾流、旋涡等多种流动图谱。

本仪器流程如图1-2所示。

图1-16-1 结构示意图

1 彩色有机玻璃面罩 2 不同边界的流动显示面 3 加水孔 4 掺气量调节阀 5 蓄水箱 6 电器、水泵室 7 可控硅无级调速旋钮

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图1－16－2 仪器工作流程图

二、实验演示内容介绍

1）ZL—1型（图1-16-1）用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图象，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩散可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，调节流速时可以看到流速越大，涡旋尺度越小，湍流强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无旋涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。

在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失（缩扩的直径比大于0.7时例外），而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。

由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图象。在管咀进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增大。从而在收缩断面出现真空。

在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。且近内壁处，出现明显的回流，所形成的回流范围较大，将此与ZL—2（1-16-2）型中园角转弯流动对比，直角弯道旋涡大，回流更加明显。

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图1－16－3 显示面过流道示意图

旋涡的大小和脉动强度与流速有关。可通过流量调节观察对比，例如流量减小，渐扩段流速较小，其强度也较小，这时可看到在整个扩散段有明显的单个大尺度涡旋。反之，当流量增大时，这种单个尺度涡旋随之破碎，并形成无数个小尺度的涡旋，且流速越高，强度越大，旋涡越小，可以看到，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。在突扩段，也可看到旋涡尺度的变化。据此清楚表明：脉动强度越大，涡旋尺度越小，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。由于水质点间的内磨擦越厉害，水头损失就越大。

2）ZL—2型（图1－16－3、2）显示文丘里流量计、孔板流量计、园弧进口管咀流量计以及壁面冲击、园弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图象。

由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有小旋涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。由此可知，孔板流量计的过流阻力较大；园弧进口管咀流量计入流顺畅，管咀过流段上无边界层分离和旋涡产生；在园形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域较小。

由上可了解三种流量计结构、优缺点及其用途。孔板流量计结构简单，测量精度高，但水头损失很大。作为流量计损失大是缺点，但有时将其移作它用，例如工程上的孔板消能又是优点。另外从型1或2的弯道水流观察分析可知，在弯头段测压管水头不按静水压

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强的规律分布，其原因：①离心惯性力的作用，②流速分布不均匀（外侧大、内侧小并产生回流）等所致。

3）ZL—3型（图1-16-3）显示30弯头、直角园弧弯头、直角弯头、45弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图象。

由显示可见，在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。在园弧转弯段，流线较顺畅。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的湍流扩散。在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。（详细介绍见ZL—7型）。

4）ZL—4型（图1-16-4）显示30弯头、分流、合流、45弯头，YF—溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF—溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。

由显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合流涡旋较为典型，明显干扰流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”现象。为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45三通连接。闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡脉动激烈，表明阻力大且易引起振动。蝶阀通常作检修用，故只允许全开或全关。

YF—溢流阀广泛用于液压传动系统。其流动介质通常是油，阀门前后压差可高达315bar，阀道处的流速可高达每秒二百多米。本装置流动介质是水，为了与实际阀门的流动相似（雷诺数相同），在阀门前加一减压分流，该装置能十分清晰地显示阀门前后的流动形态：高速流体经阀口喷出后，在阀芯的大反弧段发生边界层分离，出现一圈旋涡带；在射流和阀座的出口处，也产生一较大的旋涡环带。在阀后，尾迹区大而复杂，并有随机的卡门涡街产生。经阀芯芯部流过的小股流体也在尾迹区产生不规则的左右扰动。调节过流量，旋涡的形态基本不变，表明在相当大的雷诺数范围内，旋涡基本稳定。

该阀门在工作中，由于旋涡带的存在，必然会产生较激烈的振动，尤其是阀芯反弧段上的旋涡带，影响更大，由于高速流体的湍流脉动，引起旋涡区真空度的脉动，这一脉动压力直接作用在阀芯上，引起阀芯的振动，而阀芯的振动又作用于流体的脉动和旋涡区的压力脉动，因而引起阀芯的更激烈振动。显然这是一个很重要的振源，而且这一旋涡环带还可能引起阀芯的空蚀破坏。另外，显示还表明，阀芯的受力情况也不太好。为改进阀门的性能提供了根据。

5）ZL—5型（图1-16-5）显示明渠逐渐扩散，单园柱绕流、多园柱绕流及直角弯道等流段的流动图象。

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由显示可见，单园柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多园柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱，现分述如下：

（1）驻点 观察流经前驻点的小气泡，可见流速的变化由v00vmax流动在驻点上明显停滞（可说明能量的转化及毕托管测速原理）。

（2）边界层分离 可观察边界层转捩点及边界层分离现象。仔细观察可以看到边界层分离后的回流以及园柱绕流转捩点的位置。

（3）卡门涡街 圆柱的轴与来流方向垂直。在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后，不断交替地在两侧向下游发射出旋转方向相反的旋涡，这些旋涡在圆柱后反对称排列两行形成卡门（Karman）“涡街”。

对卡门涡街的研究，在工程实际中有很重要的意义。每当一个旋涡脱离开柱体时，根据汤姆逊（Thomson）环量不变定理，必须在柱体上产生一个与旋涡具有的环量大小相等方向相反的环量，由于这个环量使绕流体产生横向力，即升力。注意到在柱体的两侧交替地产生着旋转方向相反的旋涡，因此柱体上环量的符号交替变化，横向力的方向也交替地变化。这样就使柱体产生了一定频率的横向振动。若该频率接近柱体的自振频率，就可能产生共振，为此常采用一些工程措施加以解决。

（4）多园柱绕流，被广泛用于热工中的传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等，流体流经园柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺。换热效果较佳。另外，对于高层建筑群，也有类似的流动图象，即当高层建筑群承受大风袭击时，建筑物周围也会出现复杂的风向和组合气旋，即使在独立的高建筑物下游附近，也会出现分离和尾流。这应引起建筑师的重视。

6）ZL—6型（图1-16-6）显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。

桥墩形柱体绕流 该绕流体为圆头方尾的钝形体，水流脱离桥墩后，形成一个旋涡区——尾流，在尾流区两侧产生旋向相反且不断交替的旋涡，即卡门涡街。与圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的不规则性。

由此说明：

（1）非圆柱体绕流也会产生卡门涡街；

（2）对比观察园柱绕流和该钝体绕流可见：前者涡街频率f在Re不变时它也不变；而后者，即使Re不变f的变化也不规则。由此说明了为什么圆柱绕流频率有确定的经验公

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式，而非园柱绕流频率一般没有这样的公式。

流线形柱体绕流，这是绕流的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。又从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也会出现卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的园头尖尾形柱体。

7）ZL—7型（图1-16-7）为“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。经喷嘴喷出的射流（大信号）可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如果使射流再切换回来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。因此，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号（气流），便能输出一个大信号（射流），并能把脉冲小信号保持记忆下来。

由演示所见的射流附壁现象，又被称作“附壁效应”。利用附壁效应可制成“或门”、“非门”、“或非门”等各种射流元件，并可把它们组成自动控制系统或自动检测系统。由于射流元件不受外界电磁干扰，较之电子自控元件有其独特的优点。故在军工等方面也有应用。

作为射流元件在自动控制中的应用示例，ZL—7型还配置了液位自动控制装置。图四为a通道自动向左水箱加水状态。左右水箱的是高水位由溢流板（中板）控制，最低水位由a1、b1的位置自动控制。其原理是：

水泵启动，本仪器流道喉管a2、b2处由于过流断面较小，流速过大，形成真空。在水箱水位升高产生溢流，喉管a2、b2处所承受的外压保持恒定。当仪器运行到如图四状态时，右水箱水位因b2处真空作用下抽吸而下降，当液位降到b1小孔高程时，气流则经b1进入b2，b2处升压（a2处压力不变），使射流切换到另一流道即a2一侧，b2处进气造成a2、a3间断流，a3出口处的薄膜逆止阀关闭，而b4b3过流，b3出口处的薄膜逆止阀打开，右水箱加水。其过程与左水箱加水相同，如此往复循环，十分形象地展示了射流元件自动控制液位的过程。

射流元件在其它工控中亦有广泛应用。从中进一步了解流体力学应用领域之广泛性。这种装置在连续流中可利用工作介质直接控制液位。操作中还须注意，开机后需等1~2分钟，待流道气体排净后再实验。否则仪器将不能正常工作。

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图1－16－4 射流元件示意图

上半图为双稳放大射流阀;下半图为双水箱容器a1、b1、a3、b3容器后壁小孔分别是与孔a2、

b2及毕托管取水咀a4、b4联通。

三、实验仪器和设备

流动显示挂图

四、实验目的和要求

通过观察流动显示挂图，结合课堂理论学习，掌握逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道、文丘里流量计、孔板流量计、园弧进口管咀流量计以及壁面冲击、园弧形弯道、300弯头、直角园弧弯头、直角弯头、450弯头以及非自由射流、300弯头、分流、合流、450弯头，YF—溢流阀、闸阀及蝶阀、明渠逐渐扩散，单园柱绕流、多园柱绕流及直角弯道、明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正、反流线体绕流、双稳放大射流阀等流动图谱的基本原理和工程应用。能够结合流动图谱的基本原理对流动现象进行讲解和说明。

五、问题讨论与思考

1．简述实验中所用的流动显示仪的工作原理。所显示的各种流道的流动情况是否能反映出各种管道的真实流动，为什么？

2．结合本实验的内容试说明一、二种实际应用的例子。（如圆柱绕流、孔板等）

实验4-1电动增压器增压流量的测量

一、 电动增压器产生的背景与用途：

现有公交车多采用增压中冷柴油机作为动力源，由于废气涡轮增压器的动态响应差，柴油机在低速大负荷加速时，废气涡轮增压器不能提供柴油机在特定功率Pe（特定燃油消耗率）下所需要的空气质量流量，因此公交车在加速时会产生黑烟，燃料未能完全燃烧。不仅污染环境，而且浪费了能源。

电动增压器具有响应快、增压器的流量独立于发动机废气能量的优点，公交车加速时，通过传感器感知加速信号，从而通过变频器控制启动电动增压器，向增压中冷柴油机中快速补气，增大原公交柴油机低速大负荷加速时所需的空气质量流量，从而降低加速烟度。如图为电动增压器在增压中冷柴油机上的安装原理图（串联与有旁通管路）：

空滤器电动增压器 中冷器 空滤器 发动机 变频器 逆变电源 废气涡轮增压器 不透光烟度计

蓄电池 油门踏板

图1 电动增压器串联与增压器路中 电动增压器 中冷器 发动机 变频器 逆变电源 废气涡轮增压器 不透光烟度计 蓄电池 油门踏板

图2 在电动增压器出加旁通气路

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二、 出现的问题：

在道路试验时，采用了如图1与图2所示的安装方案。并利用不透光烟度计对发动机的烟度排放进行了测量，发现采用第一种方案时发动机大负荷时发动机燃烧恶化，产生大量黑烟，只在公交车低速大负荷加速初期烟度有所降低，分析原因为电动增压器所提供的空气流量在废气涡轮增压器低速时起正作用，在转速低于废气涡轮增压器时起了负作用；采用第二种方案时发动机大负荷时发动机燃烧不受影响，公交司机反应在爬坡时发动机的扭矩增大，但公交车在低速大负荷加速烟度没有变化，分析原因为旁通气路在电动增压器增压压力大、流量大时，增压气体在旁通气路中会发生循环流动，增压气体无法有效的进去发动机。因此需要对电动增压器的增压气体进行管理，提高电动增压器的补气效率。

三、 拟定的解决方案：

单向阀 空滤器电动增压器 中冷器 图3利用旁通气路阀门（单向阀）控制提高电动增压器的补气效率

四、 模拟试验实验目的：

通过搭建图3虚框部分的增压器路模拟试验台架，分析电动增压器与废气涡轮增压器联合工作时，使用单向阀前后，在不同的电动增压器以及废气涡轮增压器转速下，利用热线风速仪测量空气质量总流量的变化。分析采用单向阀管理增压气体后，在柴油机低速大负荷加速时（电动增压器转速高于废气涡轮增压器转速）是否可以提高电动增压器的补气效率，且在发动机高转速大负荷时（废气涡轮增压器转速高于电动增压器转速）不影响进气流量。

五、 实验步骤：

①热线风速仪的标定

②设置两个电动增压器不同的目标转速，模拟电动增压器与废气涡轮增压器不同转速联合工作的不同工况

③利用热线风速仪测量不同工况下有无单向阀时的空气质量流量（空气流速）

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发动机 变频器 逆变电源 废气涡轮增压器 不透光烟度计 蓄电池 油门踏板 六、 实验结果分析与讨论

阀门 有 无 有 无

结果分析与讨论：

电机B转速（hz） 650 650 0 0 电机A转速（hz） 300 400 500 300 400 500 300 400 500 300 400 500 阀门状态（开/关） 测量结果编号

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