主頁（yè） > 技術文章 > 空氣（qì）動力學多功能實驗台指導書 2025-07-17

空氣動（dòng）力學（xué）多功（gōng）能實驗台指導書

一、空氣動力學多功能（néng）實驗台（tái）指導書-實驗目（mù）的
⑴觀察（chá）射流結構及速度分布情況；通過測定氣體紊動射流斷麵流速分布，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，測定紊流係數α。
二、實驗原理
射流是指孔口或噴嘴向外（wài）噴出，進入另一流體領域的（de）一股流體（tǐ）。射流（liú）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（jìng）止的流體之間形成速度不連續的間斷麵，間斷麵因受幹擾失去穩定而產生旋渦，旋渦卷吸（xī）周圍流體而進入射流（liú），同時不斷移動、變形（xíng）、分裂產生（shēng）紊動，其影響逐（zhú）漸向內外兩側發（fā）展；形成內外兩個自（zì）由紊動的混合層（céng），因整個射流場的靜壓是相等的，故沿流動（dòng）方向沒有任何（hé）外力。
由於動量的橫向傳遞，卷吸進（jìn）入（rù）的流體取（qǔ）得動量而（ér）隨同原來射（shè）出的流體向前流動，原來的（de）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（qiē）層。卷吸與混摻的結果，使射流斷麵不斷擴大（dà），而流速不斷降低，流量沿程增加。
由於紊流的間歇現象，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麵，但實際分析時（shí）從統計平均意義上把（bǎ）射流邊界看成線性擴展的界麵。將主體段的邊界（jiè）線延長交於O點，O點為射流極點。
紊流射流在形成穩定的流動形態後，整個射流分成幾個（gè）區段，由噴嘴邊界起向內外擴展的紊動混摻部分稱（chēng）為邊界層（céng），中心（xīn）部分未受到（dào）混摻的（de）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麵之間的流動（dòng）稱為起始（shǐ）段。紊動充分發展的部分稱為主體段。
射流主體段各斷麵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（shì）。

（21）
式中： U——測點流速，m/s;
U_m——量測斷麵中心點（diǎn）流速（sù），m/s;
y——測點到軸心（xīn）的距離，m;
y₀——射流半寬，可按下（xià）式估算

式中：R——噴嘴半徑，m;
X——自噴嘴（zuǐ）出口到實驗斷麵之間的距（jù）離，m
θ——射流擴散角。
（估算數值（zhí），僅供參考，實驗（yàn）時應以該測點（diǎn）U=0為判斷條件）。
三、實驗裝置
阻尼網穩壓箱本裝（zhuāng）置配有三種（zhǒng）不同的（de）射流噴口，實驗時（shí）可任取其中一到兩種（zhǒng）。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（zhǎng）120-140mm），可進行扁（biǎn）射流實驗。噴嘴置於試驗台的穩壓箱底部，噴嘴右側安裝畢托管和測量x標尺 y標尺（chǐ），畢托管和微壓計（jì）相連，以測定各斷麵的流（liú）速分布。
圓（yuán）柱形噴（pēn）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
四、實（shí）驗基本原理：

（一（yī））測定紊流係數（shù）
（1）根據射流的運（yùn）動特性，射流起始段及基本段（射程）各斷麵上的無量綱（無因次）速度，隨無量綱坐標的分布具有（yǒu）相似性。用射流運動特征（zhēng）公式表示即為：

（1）
式中：y ——測點距軸（zhóu）心的（de）距（jù）離（m）；y₀為射流的半寬度，可（kě）按下（xià）式計（jì）算：
R ——同截麵上（shàng）邊界層厚度（m）；
υ——測點流速（m/s）；
υ_m ——斷麵軸心最大流速（m/s）。
由此可驗證無量綱速度分布的相似性。
（2）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（bàn）徑（m）
b₀——扁射流出口半寬（m）
s——射流（liú）之射程（m）
υ₀——噴口處流速（m/s）
在基本段（射程）內選（xuǎn）取3的個橫（héng）斷麵，將所測得的各斷麵的υ₀ ，s及噴口的υ₀及γ₀（或b₀）代（dài）入式（2）或式（3），便得出3個α值，取平（píng）均值，即得紊流係數α。
（二）測定流速

（4）
式中：y₀——射流半徑
r₀——噴嘴（zuǐ）半徑
X——自噴嘴出口至實驗斷麵的（de）距離
θ——擴散角

（5）
式中：u——測點流速
φ——畢托管修正係數
ρ——酒精密度
ρ——空（kōng）氣密度
η——測壓計的常（cháng）數因（yīn）子（zǐ）
φ——測壓計的修正係數

（6）
式中（zhōng）： u_m——測量斷麵中心流速
y——測點距中心的距離（lí）
1.用畢托管在噴嘴（zuǐ）出口斷麵定出中心坐標即Y_中心，並記錄該值。
2. 確定測量斷麵，即出（chū）口斷麵，起（qǐ）始段內一（yī）個斷麵（miàn），主體段內一個斷麵。起始段和主體段的確定，首先要找到臨界斷麵，從臨界斷麵向上（shàng）一段合（hé）適距離為起始段內一個斷麵，從臨界斷麵（miàn）向下（xià）一段合適（shì）距離為主體段內一個斷麵。分別記錄三個斷麵的X向坐標。
3.確定所選斷麵的（de）測點數和測點步長，由於圓管射流的對稱性，應在射流半徑內確定測量點數、出口斷（duàn）麵、起段內斷麵、主體段內斷麵。最少測（cè）量點數分別為3點、5點、7點。根據所選斷麵的射流半徑坐標值（該值應實（shí）驗中測得）和射流中心坐標值，以及測點數確定測點步（bù）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（zhí）。
4.將畢托管調到噴嘴中心，按啟動（dòng）按（àn）鈕開啟風（fēng）機，待氣體平穩後開始測量，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值後（hòu），一定要觀察斜管壓力計中液麵穩定後，再進行讀數。
5.測空氣溫度和大氣壓。
五、實驗步驟
⑴檢查及調整實（shí）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鬆動，多管測壓計水泡（pào）是（shì）否居中等。
⑵根據實（shí）驗（yàn）要求，調整多管（guǎn）測壓（yā）計液麵高度（應（yīng）齊平），確定（dìng）傾角α。
⑶將畢托管用橡皮管與測壓計連接（此時各玻（bō）璃管液位同高）。
⑷去掉實驗台上麵板，接通風（fēng）機電源，開機。
⑸打開風門，將畢托管放到測（cè）定點，預定流體的出口速度、不同射程s與斷麵速度，以及軸心速度（均由動壓換算）。
⑹測定大氣壓和氣溫。
⑺實驗完畢後（hòu）關閉風門，停機，切斷電源，收拾（shí）好儀器設備使設備恢（huī）複願狀。
六、實驗報告及成果要（yào）求
1.記錄有關常數。
2.計算測點流速u與u_m，並繪製流（liú）速分布圖，（注意統一單位）。
3.用半徑經驗公式（shì）

標出20個點，繪製

與

計算關（guān）係圖。將主體斷麵的（de）實測

與

繪在（zài）上圖內進行比（bǐ）較。
七、討論題
1.當實測的與關係曲線不與經驗公式算出的關係曲線重合時，試分析誤差原因。
2.分析氣體紊流射流規（guī）律為什麽采用無因次量表達（dá）？

（11-1）

（11-2）
對扁射流（liú），

（11-3）
式中：R₀為（wéi）圓柱形噴嘴半徑；b₀為扁形噴（pēn）嘴寬（kuān）度；x為自噴嘴出（chū）口到實驗段麵（miàn）的距離；θ為射流擴散角。
公式（11-1）也適用於起始段邊（biān）層中的流速分布，此時式（shì）中的y為斷麵（miàn）上任意點至核心邊界的距（jù）離；y₀為同一斷麵上（shàng）邊層的寬度；u為斷麵上邊層中（zhōng）y點（diǎn）的流速；u_m為核心（xīn）流速。
量測斷麵各（gè）測點流速由畢托管測定，畢（bì）托管與酒精（jīng）微壓計相（xiàng）連，以測定其（qí）動壓，其流速計算公式為：

（11-4）
式中：Ф為畢托管修正係數；γs為酒精（jīng）容重；γa為空氣容重；ι為微壓（yā）計斜管（guǎn）中液柱長度；ψ是（shì）微壓計修正係數；

為由單位換算引出的係數，n為微壓（yā）計常數因子。

圖11-2 紊動射（shè）流結構圖

八、實驗步驟
（一）調平微壓計的水（shuǐ）平泡，確定斜管的傾斜位置在常數因（yīn）子n=0.6處，調整斜管內的液麵到零位（wèi），將畢托管的動壓（yā）（或總壓）管接頭接到微（wēi）壓計多項接頭的“+”上，將靜壓管接頭接到斜管（guǎn）上。
（二）用定位塊（kuài）和畢托管定出噴嘴中心坐標。
（三）確定（dìng）量測斷麵（miàn），估算量測斷麵的射流半寬度y₀值，因y₀值不易測準確，常采用流速等於u_m/2處的y值，確定畢托管大致移動範圍。應（yīng）量測三個斷（duàn）麵，即出口斷麵、起始段一個斷麵和主體段（duàn）一個斷麵；出口斷（duàn）麵可（kě）測（cè）7個測點，其它斷麵測13-15個點。
（四）接（jiē）通多功能（néng）實驗台電源（yuán）。將畢托管調到噴嘴中心。慢慢開啟試驗台氣流（liú）調節閥，使出口斷麵斜管微壓計的斜管中的酒精柱在100mm左右（yòu），待氣流平穩後開始量測。首先記下中心處的（de）微壓計斜管（guǎn）液柱（zhù）壓差ι值，中心點兩側的測點處相同，再測定不（bú）同y值處的壓差值（zhí）。根據流速分布變化來定（dìng）合適的測點間距（jù）。
（五）測空氣溫（wēn）度和（hé）大氣壓。實驗完畢斷電停機。檢查微壓計斜管內液麵（miàn）是否回零。
九、成果要求與分析（xī）
（一）計算（suàn）各量測斷麵上的測點流速u，繪製各斷麵流速分（fèn）布圖（tú），定出軸心最大流速u_m。見圖11-3。
（二）計算主體段斷麵的無量綱流速

和無量綱坐標y/ y₀；繪製無量（liàng）綱流速分布圖，見圖11-4並和半經驗公（gōng）式（11-1）進行比較。
十、注意事項
若多功能試驗台為（wéi）兩台共用一個（gè）通風機時，實驗時應盡量避免互相幹擾。
十一、思（sī）考問題
（一）無量綱流速分布半經驗公式能否適用於射流起始段？
（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（yòng）扁形噴嘴，射流實驗結果和圓斷麵射流會有（yǒu）什麽不同？
十二、實驗附錄
（一）收縮形噴（pēn）嘴（zuǐ）流速分布實測值
1.常（cháng）數
噴嘴半徑R₀=15mm 畢托管修（xiū）正係數φ=0.998
噴嘴擴散角θ=10.5° 空氣溫度（dù）t=15°
微（wēi）壓計常數n=0.6 氣體密度ρa=1.24kg/m²
酒精密度（dù）ρ=810kg/ m² 大氣（qì）壓

微壓計修正係數Ψ=0
2.記（jì）錄（lù）

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/u_m	y/y₀
斷麵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（tú）11-3 收縮形噴嘴流（liú）速分布圖

由表2與圖11-5u_m/u₀與x/R₀關係曲（qǔ）線（xiàn）圖可以看出，當x/R₀≤6.8時，u_m/u₀=1.0；當x/R₀>6.8時，隨著x/R₀的增加，u_m/u₀值逐漸減少，稱u_m/u₀=1.0的這段（duàn）（勢流核）的長度，由下表可知，其（qí）始段長度為x₀=6.8 R₀=6.8×15=102mm。根據前人實驗成果，一般起（qǐ）始段長度為x₀=（6.8 -10）R₀，即（jí）（3.4-5）d，本實驗成（chéng）果在（zài）此（cǐ）範圍內。

圖11-5 u_m/u₀與（yǔ）x/R₀關（guān）係曲線圖

表（biǎo）2
R₀= 15mm溫度t=18℃ 大氣壓力

微壓計n=0.6

x（mm）	t（mm）	x/ R₀	u_m/u₀	x（mm）	t（mm）	x/ R₀	u_m/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台（tái）上進行。采用圓柱形噴（pēn）嘴，噴嘴直徑30mm。
實驗步驟
1、調平微壓（yā）計（jì）的水平泡（pào）。確（què）定斜管的傾斜位置。調斜管內液麵到（dào）零位（wèi）。將畢托管的全壓管接到微壓計（jì）多項接頭的“+”頭，靜壓（yā）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、確定量測斷麵，估算量測斷麵的y₀值，確定畢托管大致移動範圍。每（měi）個實驗小組測出三個實驗斷麵，即出口斷麵、起始和主體段各選一個斷（duàn）麵。出口斷麵可測7個點，其它斷麵測13~15個點。
4、接通電源，去掉實驗台麵上活動蓋（gài）板。
5、將畢托管調到噴嘴中心。慢慢開啟氣流調節閥到所（suǒ）需位置。待氣流平（píng）穩後開始測量。首先記下中心點處（chù）的壓差△h，中心點兩（liǎng）邊測點（diǎn）數相同，再測各測點的壓差（chà）。
6、沿中（zhōng）心線向下移動畢托管，當微壓計讀數開始變化（huà）時記錄該點的X坐標，此點所在斷麵為轉折斷（duàn）麵。
7、分別向上及向下（xià）移（yí）動畢（bì）托管到所選（xuǎn）測斷麵，找出射流邊界，根據流速分布變化，確定合適（shì）的測點間距。記錄各測點的坐標有微壓（yā）計讀數（shù）。
8、測定大氣（qì）壓（yā）及空氣溫度。
9、檢查記（jì）錄（lù）、關閉電源、清理現場。
記錄及實驗結果
1、將實（shí）測（cè）數據填入記錄表（biǎo）格。
2、繪出射流結構圖。
3、計算（suàn）各量測斷（duàn）麵上測（cè）點流（liú）速U，定出中心點最大流（liú）速（sù），繪出速度分布圖。
4、計算主庥斷麵無（wú）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（qī）
設備編號微壓計編號噴（pēn）嘴形式酒精容重中心（xīn）點標心讀數空氣溫度大氣壓強
斷麵			測（cè）點		微（wēi）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/U_m
編號	位置 X	半寬 y₀	編號（hào）	位置 y₁

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空氣動（dòng）力學（xué）多功（gōng）能實驗台指導書

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