毕托管的标定

1实验指导书实验1-7毕托管的标定一、实验原理在理想不可压流体中，毕托管测速的理论公式为：202UPP此式表明：知道了流场中的总压（0P）和静压（P），其压差即为动压；由动压，可算出流体速度。02()PPU毕托管的头部通常为半球形或半椭球形。直径应选用0.035dD（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2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202UPPh，（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管加工等原因，202UPP不是正好满足的，需要进行修正。根据1973年英国标准BS-1042：Part2A1973的定义：2012PPCU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h2nd(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）最大风速不能超过2000Sd（是空气动力粘度，Sd为静压孔直径）。这几点如能得到满足，C就决定于毕托管的结构，此时0CC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22CUPh标准标准标准22CUPh待标待标待标上面两式中，、U、均是同一的。两式相除，得ChCh待标待标标准标准则hCCh待标待标标准标准0.9980.998ChCh标准待标待标标准3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C待标取其平均值；也可以用10种不同风速下的h待标和h标准按最小二乘法求其基本系数。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.毕托管测速的基本原理是什么？2.实验前应做好哪些准备工作？3.影响毕托管系数的因素有哪些？4.讨论产生实验误差的主要原因。5.如何提高用毕托管测速的精度？4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:part2A1973的定义，流速UPC2(a)式中U—流速，m/s5P—毕托管测出的差压，N/m2—气流密度，kg/m3C—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000PPTT(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PhNm水水98103/(d)将(b)、(c)、(d)代入(a)，经整理得到UBth404760273293.即为风洞实验段气流速度计算的实用公式。式中B—当时当地大气压，mmHgt—气流的温度，℃h—测压计读出的差压，mmH2O近似估计时，可用hU04.4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；64、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2-5-21.转速表2.计算器3.微压计4.气压表5.毕托管A.稳定段B.收缩段C.实验段D.扩散段E.回流段F.拐角导流片G.风扇整流系统H.电机五、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，7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？8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。9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CCD10三、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？11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。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。xcscu01/2u0ur0.5RRcrU0R0α1αO主体段初