圆柱图绕流实验2011-5-4

圆柱绕流阻力实验

一 实验目的：

1．熟悉多管压差计测量圆柱体压强分布的方法；

2．了解利用压力传感器、数据采集系统测量绕流圆柱表面压强分布的方法； 3 绘制压强分布图，并计算图柱体的阻力系数。

二 实验装置：

1. 小型风洞或气动台； 2. 多管压差计；

3. 压力传感器，数据采集模块及其系统。

三 实验原理：

1. 小型风洞或气动台经风机产生的气流经过稳压箱，收缩段，进入实验段。圆柱体安装在实验段的中部。气动台稳压箱的气流速度近似为零，其压强可认为是驻点压强p0。小型风洞在试验段上部设置了一个正对来流方向的导管，为驻点压强p0。实验段中分布比较均匀的气流，速度为V∞，压强为p∞。气流绕圆柱体流动时，流动变得复杂起来。本实验为了测量圆柱体表面各点的压强分布，在圆柱体表面开设一个测压孔，测压孔通过一个细针管接出与多管压差计或压力传感器相连，细针管垂直方向装有指针，当转动圆柱时其转角通过角度盘指针的读数来表示，因而随着测压孔位置的改变，即可将绕圆柱体整个壁面上的压强分布测出。

图2.2.1 圆柱表面压强分布实验装置

2. 多管压差计的方法测量原理：

在流体力学中，绕流阻力即流体绕物体流动而作用于物体上的阻力，由摩擦阻力Df和压强阻力Dp构成，其Df相对于Dp小得多，在本实验中可忽略不计。其压强用无量纲的参数——压强系数CP来表示：

由伯努利方程p0p1V2p1V2

22推导得到各个不同角度测点的压强系数Cp

Cpppppll ( 2-2-1 ) 1ppll00V22

式中p为圆柱体不同测点压强。p0为稳压箱压强（或称驻点压强，总压），P由收缩段出口测得(或来流压强，静压)，为流体密度、V为来流流速，l为圆柱体测点在多管压差计上的读数， l为静压读数， l0为总压读数。 对无环量理想流体绕流圆柱体的压强阻力系数的理论解为

Cpp0p14sin ( 2-2-2 )

1V22对多管压差计实验装置，来流动压为

1V2pph ( 2-2-3 )

0e2式中p0为稳压箱压强，p为收缩段压强。来流流速为

p0pV2gαe ( 2-2-4 ) 2ghcosαα式中α为空气的容重、e为测压计内液体的容重、为测压计排管与垂线的夹角，h为总压与静压压差计上的差值。

物体的阻力包括粘性阻力和压差阻力，粘性阻力很小，可以忽略不计，因此阻力FD和阻力系数CD可以表示为

FD(pp)cosRd （2-2-5）

20

CDFD1V2220(pp)Rcosd1V22Cpcosd0 （2-2-6）

式中，是测点位置的圆周角度，从前驻点起算。

本实验在0~180的范围内布置N个测点，于是

N CD1[(Cpcos)i1(Cpcos)i](i1i) （2-2-7）

2i1通常，N=37，i1i5，但也可以不受此限制，实验者可以自己选定N和Δθ。

式中为测点法线方向与来流流体的夹角。 雷诺数Reu0d ( 2-2-8)

式中d为圆柱体的直径、为流体的运动粘滞系数。

3 利用压力传感器以及数据采集系统方法：

本实验使用的压力传感器属于压阻型，承压元件是一块单晶硅膜片，膜片上台阶有4个应变电阻丝（是用集成电路工艺的扩散法制成的），膜片受压面发生变形时，电阻丝也也随之变形，电阻值发生改变。电阻的变化用电桥测量，电桥的输出电压E与膜片上、下表面的压强差p成线性关系。在本章节2.1实验中已经测出这种线性关系，已知电压E就容易求得压差p。

压力传感器的输出电压E由数据采集系统自动读取。本实验使用7017型8路A/D转换板卡。压力传感器有两个接口，一个接高压（H），另一个接低压（L）。在本实验中，总压p0最高，因此将其引至高压接口，压力传感器的低压接口上连接一个三通开关，可以轮流切换至p或P的接口。当阀门把手与气管轴线同向时，阀门开启。当阀门把手与气管轴成垂直时，阀门关闭。压力传感器在稳压直流电源下工作。

根据公式各个测点压强系数值的计算公式 Cppppp ，我们1p0pV22得知可以利用压差传感器进行总压和静压的差值p0p以及各个测点与静压的差值pp的测量，测量中运用了一个压差变送器。压差变送器的高压端（有H标示）接总压p0，低压端（有L标示）是静压以及测点压强共用的，那么采用两个小阀门在静压管和测点管上，实现三通，如图所示：顺着管方向为开，与管呈垂直状态为关。

可先测量p0p（开通p管，关闭p管），再测p0p（开通p管，关闭p管）。系统根据算式pp(p0p)(p0p)，

就可得到式(2.2.1)的值。

压差传感器输出的电信号经“多路数据采集系统”中数据采集模块以每秒20次的频率采集，通过编制相应的数据采集测试的软件，即可实现计算机的实时数据测量与采集以及计算。 四． 实验步骤

（一） 利用多管压差计的方法：

1．按图2-1所示装好实验段，将气动台上部稳压箱接出的总压管，实验段接出的静压管以及圆柱体后接出的测点压强管接在多管压差计上；

2． 调多管测压计使其水平，调酒精库使排管液位在95㎜左右，排管与垂线夹角0°，取走实验台面上的活动板，将指针转到70°角处；

3．接通电源，慢慢打开调节阀门，当70°角处测压管液位达160㎜左右时停止，再将指针转到0°角，待测压管液位不再变化时读稳压箱、收缩段及测点的测压管读数，取液位波动时的平均值。测点间隔，0°～180°范围取5°，共计37个测量点。整个测量过程注意稳压箱及收缩段的测压管读数是否有变化并记录变化值，计算时取平均值；

3．测量空气温度和大气压，记录有关常数值；

4．注意事项： 酒精库的液位在管子中心处。整个实验过程不得对气流进行干扰，如用手阻止气流，记录纸进入实验台面的孔口，移动调节阀门等。实验完毕断电停机。

（二）利用压力传感器数据采集系统方法：

1. 将风洞或气动台的总压管与压差变送器的高压端（H端）相接，静压端和圆柱体测孔出来的两根硅胶管接在一个三通阀的两端，上有旋转式开关控制，三通阀另一段接在压差变送器的低压端（L端）；三通阀顺着管子方向即为开，垂直状态即为关；

2． 打开计算机主机旁边标有“武汉超宇测控技术有限公司”标志的“多路数据采集系统”电源；并经数据线与计算机USB接口相接；开启风洞或气动台；

3. 点击计算机桌面“圆柱体表面压强系数测量”后，进入数据采集界面（如图1)；

图 1

4. 测试界面在“串口设置”中，需选择与数据采集系统的计算机端口，可在计算机桌面点击“我的电脑”右键进入“设备管理器”中查找端口设置，会看到：Prolific usb-to-serial comm. Port(com3)或（com4），然后在计算机测试界面“串口设置”中选择相应的端口；

5． 点击“打开串口”，使其出现“关闭串口”状态（表明串口处于工作状态）；如果不能打开，请将数据线在计算机USB接口处重新拿下再相接（如果忘记实验结束时候关闭串口，则下组实验可能发生串口不能正常打开的情况，请注意实验结束时关闭串口）；

6． 同时可根据实验报告内容，填写相关实验信息；（圆柱体直径，实验室有温度计与气压计）；请查看后填写

7． 圆柱体上有指针标示测孔与来流方向的夹角，按照要求0°～180°范围内每隔5°取一次测点的要求，取37测次。旋转圆柱体指针到测点位置；

8． 在测试界面上填写该测点圆周角度a,点击“选择测量点“P0-P∞”，即要求测量总压与静压差值，打开三通阀上静压管阀门，关闭圆柱体测

点管阀门，之后点击“测量”，则测试结果显示在右边的相应栏中； 9. 点击“选择测量点“P0-P”，即要求测量总压与圆柱图测点处的压差，则打开三通阀上圆柱体测点管阀门，关闭静压管阀门，点击“测量” ；结果显示在右边的相应栏中，然后点击“记录数据”；即数据可记录在下侧的数据栏中

10. 依次重复，到180°结束。

11. 可手工记录测量数据，也可在点击“数据输出”后，在“圆柱体表面压强系数测量”文件夹中，找到记事本文件，里面即为实验数据，可拷贝；

12． 在征得指导教师同意后方可进行“计算登录”，计算结果将显示在右边的列表中，再点击“数据输出”；

13． 完成实验后，请点击测试界面的“关闭串口”，使之关闭串口，关闭多路数据采集系统电源，关闭测试界面，清空记事本中实验数据； 14．请关闭气动台或风动电机电源。 以下是测试界面图：

五 实验结果记录以及处理：

（一）利用多管压差计的方法：

设备编号 测压计排管与垂线的夹角



°

圆柱体直径 d14 ㎜ 稳压箱测压管读数 ㎜ 圆柱体长度 L50 ㎜ 收缩段测压管读数 ㎜ 空气温度 t ℃ 通大气测压管读数 ㎜Hg 记录表

角度 p 0° ; ; 65° e Cp Cpcos 角度 p㎜  70° ; ; 180 e Cp Cpcos ㎜

（二）数据采集系统方法：

直接打印或存储数据列表或直接记录数据。

六 成果要求：

1．算出压强系数Cp及Cpcos

2．用方格纸绘出以Cpcos为纵坐标，以角为横坐标的关系图。积分此曲线下的面积算出阻力系数CD值。

3.用方格纸绘出以Cp为纵坐标，以角为横坐标的关系图。