實驗流體力學(xué)

關(guān)于實驗流體力學(xué)第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容本章任務(wù)：

熟悉兩種流動現(xiàn)象相似的條件、流體力學(xué)中常用的相似準(zhǔn)則數(shù)，掌握利用量綱分析方法獲得準(zhǔn)則方程以及?；瘜嶒炘O(shè)計。

流體力學(xué)基本量測量主要內(nèi)容：第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥谌?jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

流體力學(xué)實驗研究是指用人為控制的方法對所要研究的流動現(xiàn)象或過程進(jìn)行觀察和測量，以達(dá)到以下目的：

重復(fù)實現(xiàn)和觀察某流動現(xiàn)象或過程，以便獲得充分的感性認(rèn)識、掌握其物理本質(zhì)；通過參數(shù)測量，尋求物理量之間的關(guān)系；驗證理論分析或數(shù)值模擬計算結(jié)果；設(shè)計、施工的可靠性檢驗。第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三流體力學(xué)的實驗方法可分為兩種：原型實驗：直接得出反映實際流動的規(guī)律性結(jié)果模型實驗：限于實驗條件的限制，通過設(shè)計與原型相似的模型進(jìn)行研究，間接獲得實際流動的規(guī)律性結(jié)果。主要的模型實驗方法有：

(1)幾何尺寸的改變(放大或縮小);(2)流動工質(zhì)的改變;(3)對原型的簡化。第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三模型實驗的優(yōu)點：

節(jié)省費用；

簡化實驗過程；

科學(xué)地表達(dá)實驗結(jié)果。用無量綱的相似準(zhǔn)則數(shù)整理和表達(dá)實驗結(jié)果，可以使其更具有代表性和適用性，有利于將模型試驗結(jié)果推廣應(yīng)用到原型中去。模型實驗的缺點：邊界條件和初始條件；相似準(zhǔn)則數(shù)的確定。

第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三1.幾何相似模型與原型流動空間要相似。長度比例常數(shù)Cl為：第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三2.運動相似原型模型模型與原型流場對應(yīng)點、對應(yīng)時刻速度大小成比例，方向一致。速度比例常數(shù)：第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.力學(xué)相似模型與原型流場內(nèi)各對應(yīng)點上的相應(yīng)力的大小成比例，方向一致。原型模型p1p1p2p2τ1τ2τ2τ1力比例常數(shù)：第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三4.時間相似在非定常流中必須保證的相似條件。第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

幾何相似是前提，力學(xué)相似是基礎(chǔ)，運動相似是流場相似的表現(xiàn)。

基本比例常數(shù)（Cl，CV，Cρ）確定了其它比例常數(shù)很有用!!!第一節(jié)流體力學(xué)的相似條件第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三1.相似原理(1).兩種流動相似，必定為同類現(xiàn)象，因此控制方程相同。(2).兩種流動相似，所有單值性條件相似。單值性條件包括流動空間幾何形狀、流動速度、流體性質(zhì)、壁面條件、初始條件等等。(3).兩種流動相似，那么單值性條件中某些物理量組成的相似準(zhǔn)則數(shù)（無量綱數(shù)）對應(yīng)相等。Why?第二節(jié)流動的相似原理與近似模化實驗第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

例題1：設(shè)有兩個二維不可壓定常粘性流動相似，其控制方程N-S方程。具體形式如下（x方向）：求各相似比例常數(shù)間的關(guān)系。第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三原型和模型相應(yīng)的控制方程：由于兩流動相似，那么任意物理參數(shù)之間有關(guān)系：第二節(jié)流動的相似原理與近似模化實驗(原型,x

方向)(模型,x

方向)第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三改造模型方程：得到：第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三對比兩個流動控制方程：相似問題的控制方程應(yīng)完全相同，對比后有：－－相似指標(biāo)第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三相似指標(biāo)涉及的物理量即可組合成一個無量綱量－即相似準(zhǔn)則數(shù)第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

2.流體力學(xué)中的常用相似準(zhǔn)則數(shù)流動相似時，兩個流場的歐拉數(shù)一定相等。Eu數(shù)表明流場內(nèi)壓差力與慣性力之比，描述了兩流場間壓差力的相似。壓差對流問題。流場慣性力與重力之比，表明兩個流場的重力場相似。明渠流動、船舶波動阻力問題。歐拉數(shù)：弗勞德數(shù)：第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三流場慣性力與粘性力之比，表示流場中粘性力作用的相似。管內(nèi)粘性流動、外部繞流的摩擦阻力問題。雷諾數(shù)：Re=ρDV/μ馬赫數(shù)：Ma=V/a流場慣性力與彈性力之比，表示流場彈性力/壓縮性影響的相似，在可壓縮流動（Ma>0.3)中是一個重要準(zhǔn)則。第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

根據(jù)相似原理，在幾何相似、邊界條件和初始條件相似的前提下，只要所有的相似準(zhǔn)則相等，則流場必定相似，并且互為充分必要條件。流場中表面張力的相似。毛細(xì)管內(nèi)流動問題

相似準(zhǔn)則數(shù)的冪、加/減常參數(shù)后仍為該準(zhǔn)則數(shù)。韋伯?dāng)?shù)：第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

模型實驗以相似原理為基礎(chǔ)，按一定規(guī)則改變流動參數(shù)（如流體介質(zhì)、流動速度與流場尺寸）來設(shè)計模型實驗臺，然后利用相似原理整理模型實驗獲得的數(shù)據(jù)，找出其規(guī)律，并將之應(yīng)用于所有與模型相似的實際流動。3.模型實驗第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?0頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

兩種流動(模型和原型)滿足幾何相似、運動相似和動力相似，即所有的準(zhǔn)則數(shù)(Re,Eu,Ma,Fr…)分別相等，且具有相似的相似的初始和邊界條件。但是，同時滿足幾個相似準(zhǔn)則數(shù)都相等，在實驗設(shè)計過程中實現(xiàn)很困難，有時根本辦不到。4.全面的力學(xué)相似第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三5.為什么要進(jìn)行近似模型實驗？取Cl=0.1，Cg=1,則CV=0.316取Cl=0.1，若CV=0.316,則Cn

=0.0316取Cl=0.1,若Cn

=1,則CV=10若滿足Re數(shù)相等：對于同一種流體，若同時滿足Fr數(shù)相等：因此，速度比例系數(shù)CV產(chǎn)生了矛盾。為了解決這個矛盾，采用不同動力粘度的介質(zhì)，先滿足Fr數(shù)，然后計算滿足Re數(shù)需要的介質(zhì)粘度，即：在實驗設(shè)計過程中，找到一種介質(zhì)的動力粘度為原型介質(zhì)1/31.6，很難辦到。第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)流動的相似原理與近似模化實驗圖1

水與空氣粘度值第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三說明原因：當(dāng)定性準(zhǔn)則只有兩個時，模型中流體介質(zhì)選擇要受模型尺寸選擇的限制，若定性準(zhǔn)則有三個時，除介質(zhì)的選擇受限制外，流體的其他物理量也要相互受限制，這就使得模型設(shè)計難以進(jìn)行。因此，工程上常常采用近似的模型實驗方法(近似?；?，即：

滿足主要定性準(zhǔn)則，抓住主要問題的主要方面。第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

對于重力為主要因素的流動，按Fr準(zhǔn)則設(shè)計相似模型。如明渠/河道流動、船舶的波動阻力問題。采用Fr準(zhǔn)則，相似流場間有：Eum=Eup

幾何相似、Frm=Frp(1)Fr?；?.常用的近似模型實驗方法相似第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三(2)Re?；?/p>

對于粘性作用為主導(dǎo)因素的流場，可按Re相等設(shè)計相似模型。如管內(nèi)流動，流體機械內(nèi)的流動/外部繞流的摩阻和形阻計算問題。采用Re準(zhǔn)則，相似流場間有：Eum=Eup

幾何相似、Rem=Rep相似第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

(3)Eu

?；?/p>

在某些條件下，管內(nèi)的流動速度不再受Re數(shù)的影響（自?；癄顟B(tài)），此時可僅考慮Euler準(zhǔn)則。相似流場間有：

幾何相似、Eum=Eup☆阻力自模化現(xiàn)象：粘性力作用自動相似第一自模區(qū)：Re<2000第二自模區(qū)：水力粗糙湍流區(qū)速度分布相似第二節(jié)流動的相似原理與近似?；瘜嶒灥?7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三

第二節(jié)流動的相似原理與近似模化實驗圖2

Moody圖第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定1.儀表的選擇壓力傳感器的選擇：(1)電阻應(yīng)變式壓力傳感器—金屬電阻絲應(yīng)變片+彈性元件

影響因素：

金屬電阻(絲/箔)的溫度系數(shù)；

金屬電阻膨脹系數(shù)；

彈性元件的線性膨脹系數(shù)；

特點：

電橋自溫度補償：溫度補償片

精度低；圖3

電阻應(yīng)變片(a)絲繞式(b)箔式第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定1.儀表的選擇(2)壓阻式壓力傳感器(半導(dǎo)體晶體的壓阻效應(yīng))

影響因素：

半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)遠(yuǎn)高于金屬電阻；特點：

全電橋式自溫度補償+二極管對稱接地；

精度高；

通常半導(dǎo)體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)變片，大約為100倍。圖4

壓阻式壓力傳感器(a)擴散硅膜片(b)傳感器結(jié)構(gòu)圖5

壓阻式壓力傳感器的溫度補償?shù)?0頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定1.儀表的選擇(3)電容式壓力壓差變送器

圖6

電容式壓力壓差變送器第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定1.儀表的選擇(3)電容式壓力壓差變送器

原理：測量膜片兩側(cè)壓力的改變引起電極板間相對位置的變化，以此度量壓差的大小。特點：

電容變化和輸入位移是非線性的；

可以輸出電壓、電流、頻率等信號；

結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好；過載能力強，自熱影響極小。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定1.儀表的選擇(4)流速測量儀表的選擇：皮托管；三孔探針；五孔探針；熱線和熱膜測速；

PIV(ParticleImageVelocimetry)粒子測速；激光測速超聲波測速第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定2.常用儀表的標(biāo)定(1)壓力計的標(biāo)定圖7

活塞式壓力計-測量與標(biāo)定第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定2.常用儀表的標(biāo)定(2)液體流量計標(biāo)定靜態(tài)容積法標(biāo)定

靜態(tài)稱重法標(biāo)定動態(tài)容積法標(biāo)定

動態(tài)稱重法標(biāo)定

標(biāo)準(zhǔn)體積管法標(biāo)定

標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定圖8

上海理工大學(xué)研制的水流量計標(biāo)定實驗裝置第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三圖9

靜態(tài)稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三圖10

靜態(tài)容積法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三圖11

穩(wěn)壓容器結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三圖12

動態(tài)稱重法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三1.靜態(tài)稱重法裝置準(zhǔn)確度最高，可達(dá)±0.05-0.1%；2.可以采用準(zhǔn)確度高的稱量裝置，其極限誤差為被稱符合質(zhì)量的±0.005-0.05%；3.流體是在靜止?fàn)顟B(tài)下稱重的，稱重容器與管路沒有任何機械聯(lián)系；4.需要換向設(shè)備(如換向器、換向閥等)會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；5.裝置結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)現(xiàn)的流量范圍也寬；6.在一測量周期內(nèi)，經(jīng)過被檢流量計的液體量與靜止稱重的液體量相同；1.動態(tài)稱重法裝置準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2-0.4%；2.雖然可以采用準(zhǔn)確度高的稱量裝置，但其極限誤差為由于動態(tài)效應(yīng)，只能為±0.1-0.2%；3.流體是在動止?fàn)顟B(tài)下稱重的，稱重容器與管路有機械聯(lián)系，降低稱量的準(zhǔn)確度；4.不需要換向設(shè)備，沒有該項誤差；5.裝置結(jié)構(gòu)更簡單，復(fù)現(xiàn)的流量范圍更寬；6.在一測量周期內(nèi)，經(jīng)過被檢流量計的液體量與動態(tài)稱重的液體量不等；表1

動靜態(tài)稱重法裝置比較靜態(tài)稱重法動態(tài)稱重法第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.射流的沖擊力對稱量不影響；8.當(dāng)稱量容器充滿液體時，其重心升高，稱量時不影響準(zhǔn)確度；9.稱量裝置的輸出信號能同步跟隨稱量容器的質(zhì)量變化，不受慣性的滯后的影響；10.

可作為原始的最高傳遞標(biāo)準(zhǔn)；11.測量腐蝕性和毒性液體時需要采取保護措施；12.測量準(zhǔn)確度不受流體速度大小的限制；13.在測量揮發(fā)性液體時，準(zhǔn)確度降低。7.射流的沖擊力對稱量產(chǎn)生影響；8.對稱量容器產(chǎn)生推力，影響稱量的準(zhǔn)確度；9.稱量裝置的輸出信號不能同步跟隨稱量容器的質(zhì)量變化，受慣性的滯后的影響，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；10.

在一定的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，可作傳遞標(biāo)準(zhǔn)；11.裝置本身容易實現(xiàn)密封，可用于檢定有害液體的流量計；12.只有在流速低于3m/s以下，可以獲得高準(zhǔn)確度和復(fù)現(xiàn)性；13.在測量揮發(fā)性液體時，不會降低準(zhǔn)確度。表1

動靜態(tài)稱重法裝置比較(續(xù))第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三表2

動靜態(tài)容積法裝置比較靜態(tài)容積法動態(tài)容積法1.

靜態(tài)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度為±0.05-±0.2%；2.

沒有動態(tài)效應(yīng)誤差；3.

有換向器或換向閥等的系統(tǒng)和隨機誤差；4.

在同一測量周期內(nèi)，經(jīng)過被檢流量計液體與工作量器測量值相等；5.

實現(xiàn)測量腐蝕性、毒性和揮發(fā)性流體較困難。1.

動態(tài)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度為±0.2-±0.5%；2.

有動態(tài)效應(yīng)誤差；3.

沒有換向器或換向閥的誤差；4.

在同一測量周期內(nèi)，經(jīng)過被檢流量計的液體與工作量器的測量值有誤差；5.

容易實現(xiàn)測量腐蝕性、毒性和揮發(fā)性的流體。第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)流體力學(xué)基本量測量儀表的選擇與標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定工作原理：以標(biāo)準(zhǔn)流量計(可以是速度式流量計、容積式流量計、臨界流流量計、質(zhì)量流量計和熱能表等)為標(biāo)準(zhǔn)器，使流體在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計，比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢流量計的計量性能。標(biāo)準(zhǔn)體積管法標(biāo)定工作原理：當(dāng)體積管內(nèi)的置換器在液體推動下，以一定的速度先后觸發(fā)兩個檢測開關(guān)時，將置換出的液體導(dǎo)進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)，由標(biāo)準(zhǔn)器的指示值經(jīng)換算求得體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積值。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三置換器：球式體積管一般采用表面光滑，無明顯劃痕的中空彈性球作為置換器，球內(nèi)注滿水或乙二醇等液體，注液充壓時，可適當(dāng)膨大。由充液后直徑比體積管標(biāo)準(zhǔn)容積段的內(nèi)徑大2％-4％的球在其運行時與管壁有良好的密封性?；钊w積