粘性流体力学课程实验指导书
适用专业：航空宇航推进理论与工程
编 写：黄国平
南京航空航天大学 能源与动力学院
2005年8月
有压力梯度平板附面层实验
一 实验目的
1，通过实验，强化对湍流/层流平板附面层区别的认识，了解平板附面层受压力梯度影响的特性，加深对相关理论知识的理解。
2，学习和掌握测量平板附面层的实验方法。
3，在压力梯度近似为无时，测定平板上某一点的沿法向速度分布，由此定出该点的附面层性质（层流或湍流）、算出附面层厚度?和位移厚度?*，并用经验公式计算出附面层?和?*，与实验数值进行对比分析。
4，进行有压力梯度（学生自行设计压力梯度情况）的平板附面层进行测量，获得速度型分布和附面层?和?*，与无压力梯度情况的测量结果进行对比分析。
二 实验设备
如图1所示，本实验所使用的风洞设备可分为3段，包括风洞进气段、平板附面层实验段、风洞下游抽气节流段等。
附面层测量截面斜板调节机构探针移动机构上平板斜板下平板总压探针下游阀门真空泵平板静压测管平板附面层实验段无压力梯度段 有压力梯度段风洞进气段风洞下游抽气节流段 图1 附面层实验装置示意图
附面层风洞为二维吸气式，在风洞进气段有喇叭型进气口从环境大气中抽吸空气，并具有整流格栅等使气流均匀进入实验段。风洞实验段两侧用玻璃来作为壁面板，以便于观察实验段内部的情况。实验段又可分为无压力梯度平板附面层段和可调压力梯度段。两段的风洞下方都是一平直板，长330m，宽48mm，上面沿流向分布有测量平板壁面静压的静压孔，共14个，第一点距平板前缘65mm，点与点之间距离15mm。在无压力梯度平板附面层段有一段保持与下平板间通道
为无压力梯度流动的上平板；而在可调压力梯度段则是一块可调倾斜度的斜板，由专门的螺杆旋钮来调节。在图1中所标示截面位置进行附面层测量。测量附面层总压的探针安装在一微型座标架（由螺旋测微器改造）上来进行移动。风洞下游抽气节流段既包括了真空泵（或鼓风机）作动力的抽气管路系统，也有电动蝶阀来实现对风洞流速的改变。
本实验各测点表压（包括平板静压和附面层总压）的测量都使用“U”型水排压力计或倾斜微压计，也可以用电子压力传感器和计算机数据采集系统来测量。大气压力 由水银气压计测量，并由实验室温度计读出大气温度。另外，实验段斜板调节装置也可读出斜板倾斜角度。
三 实验原理
1，基本平板附面层测量原理
本实验的风洞为吸气式，故实验环境的大气压Patm可近似作为来流总压P?，也可以在移动附面层总压探针测量时将测到的附面层外主流总压值（比如通道中部的总压）作为来流总压。根据附面层理论，我们可以认为平板附面层内沿壁面法向静压相等。因此，可以由测压仪表直接测取平板上被测点的静压，并将此静压作为附面层边缘主流的静压P?。这样可由总静压比查气动函数表或由流体力学公式：
()P?k?1?(1?(M?)2)k?1 （1） P?2*k*
可以求出附面层外主流马赫数M?。气流的音速a由下式计算：
a??k?R?T??k?R?Tatm?(1?k?1(M?)2)?1 （2） 2上式中Tatm是环境大气温度。由此可以算出主流速度
u??M??a? （3） 对于某个设定的平板附面层测量截面，采用单根总压探针来游测速度的剖面：一根总压探针安装在微型座标架上，可沿平板法向y移动，并测出移动距离的大小，把总压探针的连接管接到“U”压力计一端（或压力传感器等）。由平板壁面沿法向上移动探针并进行若干次位置和压力的测量。当压力计另一段通大气时，测出的数据就是被测压力的表压值?pi（第i次测量，i=1~N）。当发现继续往上测，压力读数?pi值不变，这就气流总压已最大值，测点已进入附面层外主流。当探针和平板壁面接触时，计下螺旋测微器读数，各测点的读数值减去初始位置值再加上探针厚度（数据由实验教师提供）的一半作为测点离壁面的距离
yi。
由于平板附面层内沿壁面法向静压相等，就可以通过测到的总压分布计算出各点的马赫数Mi：
()P?k?12k?1 ?(1?(Mi))Pi2*k并由（2）式算出的音速可以得到气流速度。如果实验中主流马赫数M?小于0.3，可以将整个流动视为不可压流，这时可以采用下面的速度计算方法：
1??(ui)2?P?*?Pi2ui?2(P??Pi)*
?ui通过处理计算结果得到了这个测量截面上各高度的流速后，就可以绘出速度剖面图，我们一般把
u??0.99对应的yi值做为附面层厚度?。
2，有流向压力梯度平板附面层测量原理
当调节图1中的可调倾斜度斜板时，可以得到各种扩张程度或收缩程度的流动通道形状。依据流体力学原理，在流速为亚音速时（本实验就是亚音速），流道面积的扩张或收缩将使气流减速增压或加速减压，从而在可调压力梯度实验段形成逆（流向）压力梯度或顺（流向）压力梯度。
实验者在设定好一定的斜板角度后，通过在平板上布置在测点及其上游的静压孔（3~5点）可以测出沿流向的压力变化程度，并算出测量点的流向压力梯度。根据粘性流体力学课程的相关知识，附面层将在流向压力梯度的影响下变得厚而欠饱满或变薄而饱满。测量在某个（实验者自行设定）斜板角度（对应某压力梯度）时的附面层速度分布，可以与无压力梯度的附面层进行对比分析。
四 实验步骤
1，实验准备。
①将电动阀的电机引线与稳压电源的正负极接好，红线接“正”，绿线接“负”，将稳压电源的电压选择开关拨到24~27V，打开电源开关，为下调节气流速度做准备。
②检查各测压接点处有无漏气现象，测试仪器仪表工作是否正常。 ③记下实验台的当时的实验大气条件（环境大气压力和温度）。 2，无压力梯度的附面层测量分析
进行无压力梯度的附面层测量，获得其附面层速度分布，并绘制速度剖面图。实验时首先需确定主流马赫数，判断是否是不可压缩流；然后测量并得到附
面层速度分布；最后分析该附面层是层流还是湍流。具体实验步骤不规定，由学生自己来安排。
3，有压力梯度的附面层测量分析
实验者确定实验计划测量顺压梯度或逆压梯度情况下的附面层，并根据自己的分析自行设定一个斜板角度。测量此时的附面层速度分布，并与无压力梯度的附面层测量结果进行对比分析。同样，具体实验步骤由学生自己来安排。
注意事项：
（1）实验时，推动座标架沿轴向移动，将总压探针的头部对准平板上你所测的静压点的孔，y方向移动到头部刚好接近平板的位置（注意要刚好接触平板，不能过量），然后记下探针的y向初始位置ya值同时记下压力读数。
（2）由于测平板壁面静压的不锈钢管较细，所以压力信号反应很慢，故测量时要让其稳定一些时间后再开始记录数据，否则测出的数据不准确，有时甚至会严重偏离实际。
（3）在选定平板x方向测点后，测对应的总压探针在y方向的位移高度每次建议移动为0.1~0.3mm，当然此值取得更小或更大就未毕不可以，更少时，试验时间必须增长，而过大测出的速度分布又显得测点较少。
五 实验报告内容要求
1，自己设计好实验记录、实验数据处理表格，并将有关数据填入表内。 2，根据测量结果，说明流动是否不可压缩流，绘制无压力梯度附面层的
y~ui*??分布曲线，并求出测量截面处附面层厚度和位移厚度，通过与层u?流、湍流附面层厚度经验计算式获得的结果对比，分析说明流动状态。
3，根据自行设定的附面层流向压力梯度特点，预计有流向压力梯度附面层
u的特征。处理实际测量结果，绘制有压力梯度附面层的y~iu分布曲线，并求
?出测量截面处附面层厚度?和位移厚度?*，对比无压力梯度附面层测量结果，分析说明附面层受压力梯度的影响，并检验是否与设定实验时预计的影响特征一致。
4，实验报告形式尽量以技术报告的形式来写，内容既有分析、又要有结论，也可提出对该实验内容的个人看法和建议。