西安交通大学流体力学边界层测定实验报告
西安交通大学流体力学边界层测定实验报告2
实验数据处理及计算：
150mm截面数据
250mm截面数据
数据结果分析：
1.由雷诺数判断流态：
临界雷诺数Re=3∗10
流态判断：150mm截面为层流流动
250mm截面为层流向紊流过度区域2.根据边界层的速度分布判断流态：
由绘制的曲线分析，实测曲线均与紊流理论曲线吻合较好。
判断结果为：150mm截面、250mm截面均为紊流流态
3.根据边界层厚度判断流态：
层流：δ=5∗√υx
V
紊流：δ=0.37*υ1
5*x
由以上数据判断结果为：150mm截面流态为：紊流250mm截面流态为：紊流
实验总结与思考：
通过如上三种方法认为，通过实验，该平板模型在实验流场中，150mm截面处与250mm界面处均为紊流流态。
原因可能是风洞中流速过快，以及1截面选择过于靠后，因而测不到或测得层流流态。
建议下次试验对100mm截面进行测试。
思考题：
1.流体的流动状态受到哪些因素的影响？
答：Re=LVρ/μ,影响因素有特征长度L，,流速u,流体密度ρ,流体粘度μ.而温度会影响流体的粘度和密度。
2.为何层流和紊流呈现不同的速度分布规律？
答：两种状态和流动的雷诺数雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,流体各质点平行于管路内壁有规则地流动,呈层流流动状态.雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流流动状态。
流体力学实验
流体力学实验流体力学是研究流体运动规律以及与固体的相互作用的学科，是力学的一个重要分支。
为了更好地理解和应用流体力学理论，进行流体力学实验是必不可少的。
本文将介绍流体力学实验的基本内容、实验室设备和实验方法，以及进行实验时需要注意的事项。
一、实验内容流体力学实验内容丰富多样，既包括基础的实验，也包括高级的研究性实验。
在基础实验中，可以研究流体的压力、速度、黏性、流量等基本性质，并探索流体在不同条件下的变化规律。
在研究性实验中，可以考察流体的层流、湍流、边界层以及流动稳定性等问题，进一步深入了解流体力学的复杂现象。
二、实验室设备进行流体力学实验需要较为复杂的设备，包括流体实验台、流量计、压力计、速度计、水槽等。
其中，流体实验台是实验的主要设备，可以提供不同流体条件下的实验环境，用于控制流体的流速、压力和波动等参数。
流量计、压力计和速度计则用于测量流体的流量、压力和速度等物理量。
水槽则用于容纳流体，模拟流体力学实验中的场景。
三、实验方法进行流体力学实验时，需要依照一定的实验方法进行操作。
首先，确定实验的目的和预期结果，并设计好实验方案。
其次，准备好实验所需的设备和实验材料，并对实验环境进行准备。
然后，按照实验方案进行实验操作，记录实验数据并进行分析。
最后，根据实验结果进行结论和总结。
在实验过程中，还需要注意以下几点：1. 实验操作要准确细致，确保实验数据的准确性和可靠性。
2. 实验前要对实验设备进行检查和校准，确保设备和仪器的正常工作。
3. 定期对实验设备进行维护和保养，保证设备的稳定性和长期可用性。
4. 实验时要注意人身安全，遵守实验室安全操作规程，佩戴好安全装备。
5. 在实验结束后，及时清洁实验设备和实验现场，保持实验环境的整洁和卫生。
四、实验应用流体力学实验在学术研究和工程应用中具有广泛的应用价值。
通过实验可以验证流体力学理论模型的准确性，促进流体力学理论的发展。
同时，流体力学实验可以为工程设计和实际应用提供科学依据，帮助改善工程结构的流体性能，提高工程的安全性和可靠性。
演示实验4边界层仪演示实验
演示实验4.边界层仪演示实验一、表演目的通过观察流体流经固体壁面所产生的边界层分离的现象，加强对边界层的感性认识。
二、利用折光法观察热边界层的原理边界层仪由点光源、热模型和屏组成（见图4-1）。
模型被加热后就有自下而上的空气对流运动，模型壁面上存在着层流边界层，因为边界层几乎不流动，传热情况很差，层内温度远高于周围空气的温度而接近模型壁面温度，用热电偶测出模型面温度有350℃。
气体对光的折射率有下列关系：式中n----气体折射率；ρ----气体密度。
图4-1 ZRB-1型边界仪1-点光源；2-模型；3-屏。
由于边界层内气体的密度边界层外的气体密度不同，则折射率也不同，利用折射率的差异可以观察边界层。
点光灯泡的光线从离模型几米远的地方射向模型，它以很小的入射角i射入边界层（见图4-2）。
如果光线不偏折，它应投到b点，但现在由于高温空气折射率不同，光线产生偏折，出射角大于入射角。
射出光线在离开边层时再产生一些偏折后投到a点，在a点上原来已经有背景的投射光，加上偏折的折射光后就显得特别明亮，无数亮点组成图形，就反映到边界层的形状之外，原投射位置（b点）因为得不到氢射光线，甩以显和得较暗，形成暗区，这个暗区也是边界层折射现象引起的，因此也代表边界层的形状。
图4-2 光线折射图从边界层仪可以清楚地表现出流体流经圆柱体的边界层现象，圆柱底部由于气流动压的影响，边界层最薄。
越往上部，边界层越厚，最后产生边界层分离，形成旋涡。
仪器还可以表演边界层的厚度随流体速度的增加而减薄的现象，我们对模型吹气，就会看到迎风一侧边界层影像的没退到模型壁上，表示边界层厚度减薄（见图4-3和图4-4）。
图4-3 层流边界层现象图4-4 迎风一侧边界层减薄。
边界层理论(Boundary layer theory)--西安交大
）之外的流体速度就形成：润湿→附着→内摩擦力→减速→梯度
边界层内：沿板面法向的速度梯度很边界层外：不存在速度梯度或速度梯度
流体在平板上流动时的边界层：
流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。
湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流
直管内：流体须经一定的距离才能形成稳定的边界层。
由于总流量不变，中心流速增加。
边界层占据整个管截面。
与物体的长度相比，边界层的厚度很小；边界层内沿边界层厚度的速度变化非常急边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；
边界层中各截面上的压强等于同一截面上在边界层内粘滞力和惯性力是同一数量级边界层内流体的流动存在层流和紊流两种
圆柱后部：猫眼
扩张管（上壁有抽吸）
B
S′
A
涡，这种旋涡具有一定的脱落频率，称为卡门涡街.
湍流产生的原因：
湍动强度
在模型实验中，模拟湍流，要求雷诺数和湍动强边界层的转变、分离以及热量和质量传递系数等
依微分方程的个数：零方程模型、一方
FLUENT软件在化学处理领域主要可应用 于：
燃烧 干燥 过滤 传热和传质 材料处理 混合 反应 分离 蒸馏 喷射控制 成型 焚化 测量/控制 聚合 沉淀 通风
。
流体力学综合实验-实验报告
. . 实验报告课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：_________________ 实验名称： 流体力学综合实验 实验类型：___ __同组学生： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得Ⅰ、流体流动阻力测定一、实验目的⑴掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。
⑵测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，验证在一般湍流区λ与Re 的关系曲线。
⑶测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。
⑷识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理⑴直管阻力摩擦系数λ的测定流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：2122ff p p p l u h d λρρ∆-=== ⑴即 22fd p lu λρ∆=⑵Re du ρμ=⑶采用涡轮流量计测流量V2900Vu d π=⑷用压差传感器测量流体流经直管的压力降f p ∆。
根据实验装置结构参数l 、d ，流体温度T （查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V 、压力降 ΔPf，求取Re 和λ，再将Re 和λ标绘在双对数坐标图上。
⑵局部阻力系数ζ的测定流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径流动时平均动能的某一倍数，这种方法称为阻力倍数法。
即：'2'2ffp u h g gζρ∆== ⑸ 专业： 化学工程与工艺姓名：学号：日期：2013/9/29地点：教十1208装订线故'22fpuζρ∆=⑹根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降ΔPf ’，通过式⑸或⑹，求取管件（阀门）的局部阻力系数ζ。
三、实验装置与流程实验装置如下图所示：1、水箱2、离心泵3、压差传感器4、温度计5、涡轮流量计6、流量计7、转子流量计8、转子流量计9、压差传感器 10、压差传感器 11、压差传感器 12、粗糙管实验段 13、光滑管实验段 14、层流管实验段 15、压差传感器 16、压差传感器 17、局部阻力 18、局部阻力图1 实验装置流程图装置参数：名称材质管径/mm 测量段长度/mm光滑管不锈钢管21 1000粗糙管镀锌铁管22 1000局部阻力闸阀22 640局部阻力截止阀21 620四、实验步骤⑴首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。
空气动力学实验报告
实验一边界层流动测量实验摘要：边界层，又称为流动边界、附面层，它是流体流动过程中，紧贴壁面的粘性阻力不可忽略的一层薄薄的流体，它对主要流体运动的影响很大。
自普朗特提出该概念起，边界层研究就一直是流体力学研究中一个焦点和难点课题。
本实验通过热线风速仪测量距离凹口平板前缘不同位置点流体的速度分布情况，并对实验数据加以分析处理，从而确定出在不同工况中的边界层的厚度、位移厚度，以及避免粘性力等参数，最终分析边界层的特性。
关键词：边界层，热线风速仪，粘性力，雷诺数，拟合，标定1.实验简介此次实验是在一个开口式风洞中进行的，该风洞试验段截面尺寸为：500mm*500mm。
设置风洞风机的运行频率为20Hz和30Hz、，利用热线风速仪测量凹槽分离点20mm的边界层上的速度分布。
然后用两种不同的方法拟合热线风速仪实验前后标定曲线，得出标定误差值，从而分析比较这两种拟合方法的优缺点，并分析出实验中热线性能的稳定性。
2.实验步骤1)将皮托管固定在风洞试验段，轴线和来流速度方向平行。
记录皮托管标定系数k。
皮托管静压连接到压力传感器负压接口，皮托管总压连接到压力传感器通道1；2)热线风速仪探头安装在二位坐标架上，连接热线探头与恒温控制器输入、输出。
此时热线恒温控制器切勿通电！将热线探头移至和皮托管同一高度；3)热线输出连接到数据采集卡AI0，皮托管输出连接到数据采集卡AI1；4)将热线恒温控制器通电，打开MATLAB热线风速仪标定程序“hw calibration.m”，改变文件名运行程序；5)将热线移动至测量点（距离凹腔分离点X=20mm）上方自由来流中，调整风洞风速，风机运行频率f=30Hz, MATLAB运行热线速度分布测量程序“hw measurement.m”改变文件存储名称。
改变风洞风速，风机运行频率f=20Hz,重复步骤4；6)打开MATLAB热线风速仪标定程序’hw calibration.m’，改变标定参数存储文件名，重新运行标定程序。
流体力学边界层实验报告
10 实验测得值曲线
8 层流理论曲线
6
紊流理论曲线
4
2
0 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200
12
10 实验测得值曲线
8 层流理论曲线
6 紊流理论曲线
4
2
0 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1. 0.827 0.867 0.907 0.940 0.960 0.972 0.994 1.000 0.998 速度 比 0.703 0.784 0.837 0.877 0.914 0.944 0.954 0.986 0.995 1.000 1.000
层流理论 速比 0.081 0.258 0.427 0.584 0.723 0.839 0.928 0.983 1.000 0.973 0.898 层流理论 速比 0.085 0.273 0.451 0.614 0.756 0.871 0.953 0.995 0.992 0.937 0.825
紊流理论 速比 0.647 0.765 0.824 0.866 0.898 0.924 0.946 0.966 0.984 1.000 1.014 紊流理论 速比 0.646 0.764 0.823 0.865 0.897 0.923 0.945 0.965 0.983 0.998 1.013
2
12
微压计读数 △h（mm） 70.1 62.8 57.0 53.0 48.8 45.1 42.9 41.5 38.9 38.2 38.4 压强计读数 （pa） 215.92 192.76 176.22 163.08 150.48 139.72 136.40 124.40 120.92 119.08 119.16
边界层仪演示实验
实验三边界层仪演示实验一．演示目的1．使学生能生动实际地观察到流体流经固体壁面时，所产生的边界层的形状，以及边界层的分离现象。
2．观察流体流动对边界层的影响。
二．基本原理流体流经固体壁面或者固体在静止的流体中运动时，由于流体本身的粘性作用，在紧贴固体的壁面处，必然留有一层贴附固体壁面而停滞不动的流体，这层流体就称作边界层，边界层厚度虽然不大，但由于它不流动，因而对传热、传质等都有重要的影响。
实验装置的基本原理是根据光线通过不同密度的空气时会产生不同的折射率制做成的，主要有三个部份，即：点光源、热固模、投影屏，如图4-10所示。
图4-10 热边界层实验装置工艺简图1—点光源；2—热固模；3—投影屏当固体模型“2”受热时，其壁面周围的空气因受热产生自下而上的空气流，由此形成流体流经固体壁面的运动，于是在固体模型“2”的壁面处就形成了边界层。
由于边界层紧贴壁面停滞不动，其空气的温度必然也近于固体模的温度。
这样，当光线从远处的点光源“1”，以很小的入射角i投射到固体模型“2”的壁面边界层时，如果光线不偏折，它以投影到“b”点。
但由于热边界层的存在，层内气体温度远高于周围空气温度，从而使边界层内外空气的密度产生差异，因而对投射来的光线的折射率也不同，造成出射角“γ”大于入射角“i”，使出射光线偏折到投影屏“3”的“a”点处，和原来已有的背景投射光相重叠，形成明显的亮点，这样，由无数个亮点汇集成的图形，就反映出了边界层的形状。
对比之下，原折射位置（b点）因为得不到投射光线，显得较暗形成暗区，这暗区也是边界层折射现象引起的，其代表了边界层的暗影图形。
图4-11 演示装置原理示意图注：虚线为不偏折时的出射线，i代表小角、γ代表大角三．实验装置热边界层实验装置是由点光源、遮光筒、热固模型和投影屏组成。
点光源是由电影机的专用灯泡发出，发光面积小，亮度大。
热固模型是由圆柱状的铜质壳体内装电阻丝构成。
投影屏是由砺砂玻璃和收光筒构成。
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差压传感器测速度比与边界层距离关系
8.00 7.00 6.00
边界层距离
5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.000 0.200 层流理论曲线 0.400 0.600 0.800 1.000
速度比
1.200
差压传感器测得曲线
紊流理论曲线
数据结果分析：
1. 由雷诺数判断流态： Re 150mm 截面 250mm 截面
-21.00 -18.45 -15.90 -14.25 -12.60 -11.10 -9.30 -7.95 -6.15 -5.25 -3.00 -2.40 -1.65
16.28 17.59 19.21 19.55 20.26 20.90 21.63 22.16 22.86 23.19 24.02 24.24 24.50
0.676 0.769 0.753 0.834 0.862 0.885 0.905 0.922 0.938 0.953 0.978 1.000 1.000
微压计测速度比与边界层距离关系
边界层距离
微压计实测曲线 层流理论曲线 紊流理论曲线
速度比
0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200
������������ ������ ������
������
紊流：δ=0.37*������∗������������ *x 150mm 截面 δ 层流 紊流
微压计实测 5.95mm 压力传感器实测 6.00mm
250mm 截面
微压计实测 6.95mm 压力传感器实测 6.95mm
1.55 4.69
250mm 截面数据
距前缘 X=250mm 雷诺数 387658.2（微压计） 390031.6（差压传感器） 边界 层距 离 微压计 静 压 /mmH2O 微压计 读 数 /mmH2O 边界 层内 流速 m/s 速 度 比 u/v 差压传 感器静 压/Pa 坐标初值 Y0：0.45mm 边界层厚度 6.95mm(微压计) 6.95mm（差压传感器） 差压传 感器读 数/Pa 边界 层内 流速 m/s 速度 比 层流 理论 值 u/V 紊流 理论 值 u/V
-210.94 -176.40 -150.35 -125.46 -102.69 -83.48 -64.81 -47.89 -37.34 -28.56 -23.55 -20.00 -18.56
18.64 20.63 22.01 23.25 24.33 25.21 26.03 26.76 27.18 27.56 27.76 27.91 27.97
-36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30
-20.85 -17.25 -15.00 -12.15 -10.20 -7.80 -6.45 -4.35 -3.60 -2.55 -2.25 -1.65 -1.62
1.46 4.57
2.01 7.05
2.00 7.05
由以上数据判断结果为： 150mm 截面流态为： 紊流 250mm 截面流态为： 紊流
实验总结与思考： 通过如上三种方法认为， 通过实验， 该平板模型在实验流场中， 150mm
截面处与 250mm 界面处均为紊流流态。原因可能是风洞中流速过快， 以及 1 截面选择过于靠后，因而测不到或测得层流流态。建议下次试 验对 100mm 截面进行测试。 思考题：
0.66 0.72 0.78 0.80 0.83 0.85 0.88 0.90 0.93 0.95 0.98 0.99 1.00
-364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640 -364.640
-214.770 -184.270 -165.450 -146.380 -126.650 -106.920 -93.889 -79.706 -66.987 -51.147 -33.362 -23.851 -21.315
16.29 17.87 18.78 19.65 20.52 21.36 21.89 22.46 22.95 23.56 24.21 24.56 24.65
0.67 0.74 0.79 0.83 0.87 0.90 0.93 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.00
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00
边界层距离
微压计测度比与边界层距离关系
7.00 6.00 层流理论值u/V 微压计实测曲线 紊流理论值 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00
16.36 18.17 19.21 20.46 21.26 22.22 22.74 23.53 23.80 24.18 24.18 24.50 24.51
0.67 0.74 0.78 0.84 0.87 0.91 0.93 0.96 0.97 0.99 0.99 1.00 1.00
-364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64 -364.64
速度比
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
0.00
差压传感器测得速度比与边界层距离关系
7.00 6.00
5.00
边界层距离
差压传感器实测曲 线 层流理论值
4.00
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
2.00
1.00
0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
速度比
1.00 1.20
5 6
微压计 232594.9 387658.2
差压传感器 264968.4 390031.6
临界雷诺数Re = 3 ∗ 10 ~3 ∗ 10 流态判断：150mm 截面为层流流动 250mm 截面为层流向紊流过度区域 2.根据边界层的速度分布判断流态： 由绘制的曲线分析，实测曲线均与紊流理论曲线吻合较好。 判断结果为：150mm 截面、250mm 截面均为紊流流态 3.根据边界层厚度判断流态： 层流：������ = ������ ∗
0.661 0.725 0.762 0.797 0.832 0.867 0.888 0.911 0.931 0.956 0.986 0.996 1.000
0.097 0.204 0.358 0.410 0.507 0.600 0.683 0.761 0.829 0.888 0.970 1.000 1.000
1.流体的流动状态受到哪些因素的影响？ 答： Re=LVρ /μ ,影响因素有特征长度 L， ,流速 u,流体密度 ρ,流体粘度μ .而温度会影响流 体的粘度和密度。 2.为何层流和紊流呈现不同的速度分布规律？ 答：两种状态和流动的雷诺数雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,流 体各质点平行于管路内壁有规则地流动 ,呈层流流动状态 .雷诺数大,意味着惯性力占 主要地位,流体呈紊流流动状态。
0.45 0.95 1.45 1.95 2.45 2.95 3.45 3.95 4.45 4.95 5.95 6.95 7.45 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.000
-36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30 -36.30
0.11 0.24 0.36 0.47 0.58 0.68 0.77 0.85 0.91 0.96 0.99 1.00 1.00
紊 流 理 论 值 u/V
0.69 0.77 0.82 0.85 0.88 0.91 0.93 0.94 0.96 0.97 0.99 1.00 1.00
0.45 0.95 1.45 1.95 2.45 2.95 3.45 3.95 4.45 4.95 5.45 5.95 6.45
实验数据处理及计算：
T=25℃ Pa=96.6Kpa ρ =1.13Kg/m3 ν =1.58×10-5m2 /s
150mm 截面数据
距前缘 X=150mm 雷诺数 232594.9（微压计） 264968.4（差压传感器） 边界 微压计 层距 静 压 /mmH2O 离 微压计 读 数 /mmH2O 边 界 层 内 流 速 m/s 速 度 比 u/v 差压传 感器静 压/Pa 坐标初值 Y0：0.45mm 边界层厚度 5.95mm(微压计) 6.00mm（差压传感器） 差压传 感器读 数/Pa 边界 层内 流速 m/s 速 度 比 层 流 理 论 值 u/V