实验流体力学3

1、3-1 3-1 压差测量及其应用压差测量及其应用3-2 3-2 测量非定常压强测量非定常压强3-3 3-3 壁面剪应力测量壁面剪应力测量3-4 MEMS3-4 MEMS微传感器微传感器3-5 3-5 湍流边界层的平均特性测量湍流边界层的平均特性测量第第3 3章章 压强与剪应力测量压强与剪应力测量实验流体力学实验流体力学3-1 3-1 压差测量及其应用压差测量及其应用一、压差测量：一、压差测量：皮托管：总压管测速皮托管：总压管测速静压孔与表面平齐安装静压孔与表面平齐安装 压差压差 ： 运动流体中两点时均压强之差或一点运动流体中两点时均压强之差或一点的时均压强与瞬时压强之差。的时均压强与瞬时压强之

2、差。 皮托管设计原则：皮托管设计原则：1. 确定静压孔位置：确定静压孔位置：2. 估计速度脉动影响：估计速度脉动影响：pPuUPt2)(21PuUPt2222圆柱绕流的流动图案：圆柱绕流的流动图案：221VppCp2sin41pC二、多方向平均速度测量：二、多方向平均速度测量：圆柱绕流的流动图案圆柱绕流的流动图案理想流体理想流体510Re 40Re5钝体绕流边界层的分离现象：钝体绕流边界层的分离现象：0 xp0 xp顺压梯度区顺压梯度区逆压梯度区逆压梯度区低压回流区低压回流区平板边界层内：平板边界层内：0 xp U xy0v(x)p故平板边界层不会分离，无尾流现象。故平板边界层不会分离，无尾流

3、现象。均匀来流绕圆球体的流动：均匀来流绕圆球体的流动：柱坐标系柱坐标系与球坐标系与球坐标系之间的转换关系之间的转换关系sinrRcoszR 均匀来流绕圆球体的流动在流体力学中可看成均匀来流绕圆球体的流动在流体力学中可看成是是均匀直线流与空间偶极子叠加的结果。均匀直线流与空间偶极子叠加的结果。291sin4pC 五孔压强探管：为一流线型轴对称体，探头表面压五孔压强探管：为一流线型轴对称体，探头表面压强分布由平均流速矢量相对于探头轴的来流角所决定。强分布由平均流速矢量相对于探头轴的来流角所决定。 五个点的位置：五个点的位置：轴线上一点和均布环轴线上一点和均布环绕四点。绕四点。hhbaUPP2sin

4、2sin492120sin2tan221 cos2abphhcabPPCPPP五个点的位置：五个点的位置： 通过适当标定将这五个点配对的压强差与来流通过适当标定将这五个点配对的压强差与来流速度矢量结合可导出俯仰角速度矢量结合可导出俯仰角v v 和偏航角和偏航角h h。 如图为球如图为球探头皮托管的探头皮托管的校正曲线。校正曲线。 实用中还实用中还应对理论曲线应对理论曲线进行校正。进行校正。三、测量定常压强的误差：三、测量定常压强的误差：1.1.准直误差：准直误差： 当总压管的轴与流速矢量方向不一致时所造成当总压管的轴与流速矢量方向不一致时所造成的误差。的误差。2.2.湍流误差：湍流误差： 由于

5、湍流的影响可能会增加平均总压值。由于湍流的影响可能会增加平均总压值。3.3.近壁影响：近壁影响： 当探头管轴到壁面的距离小于两倍探头直径时，壁面当探头管轴到壁面的距离小于两倍探头直径时，壁面和探头的相互作用会使流线弯曲，从而引起误差。和探头的相互作用会使流线弯曲，从而引起误差。4.4.静压孔几何形状：静压孔几何形状：5.5.总压与静压探头形状：总压与静压探头形状： 静压小圆孔的制造误差，引起的测量误差。静压小圆孔的制造误差，引起的测量误差。6.6.探头支杆的影响：探头支杆的影响： 实验证实对于五孔皮托管，当偏航角小于实验证实对于五孔皮托管，当偏航角小于15时时总压和静压的测值对总压和静压的测值

6、对探头形状很敏感探头形状很敏感。7.7.探头尺寸：探头尺寸： 探头支杆会引起流线弯曲，造成测量误差。若探头支杆会引起流线弯曲，造成测量误差。若将支杆做成流线型，则可有效减少这种误差。将支杆做成流线型，则可有效减少这种误差。四、倾斜微压计：四、倾斜微压计：倾斜微倾斜微压计压计用于测量较小的压强值，可提高测量精度。用于测量较小的压强值，可提高测量精度。 未测压时，未测压时，倾斜微倾斜微压计的两端通大气，压计的两端通大气，容器与斜管中容器与斜管中的液面同在一个水平面上。的液面同在一个水平面上。测压时，测压时，容器上部测压口与被容器上部测压口与被测流体相连，在相对压强的作用下，容器内液面下降测流体相连

7、，在相对压强的作用下，容器内液面下降h h2 ，而斜管液面上升而斜管液面上升 l 长度。长度。)(21hhp为倾斜微压计常数。上式中：2121211221sinsinsinsin,AAKKlAAl AAllplhhAlA用于测量驻点压强或测量静压用于测量驻点压强或测量静压 五、压强传感器应用：五、压强传感器应用：用于测量冲击压强（驻点压强）或测量静压。用于测量冲击压强（驻点压强）或测量静压。六、超声速总压管应用：六、超声速总压管应用：11122112Mpp12202102pppppp3-2 3-2 测量非定常压强测量非定常压强一、电容式压强传感器：一、电容式压强传感器：原理：膜片挠度原理：膜片

8、挠度变化，使极板间变化，使极板间距改变，从而使距改变，从而使电容值变化传出电容值变化传出压强信号。压强信号。其等效电路图为：其等效电路图为：式中：式中：e0c（t） 为开路电压，为开路电压，e0c（t）=pAE0CM/x00( )( )toctPv tCetCCtptpppcCjRCRjCRjtvte1)()(00 无电流时，对单位无电流时，对单位增益的前置放大电压输增益的前置放大电压输出的电路分析，有：出的电路分析，有：若输入阻抗较高，有若输入阻抗较高，有RpCp1 1，则上式简化为：，则上式简化为： 电容式传感器的灵敏度特点：减小直径会降电容式传感器的灵敏度特点：减小直径会降低损失灵敏度，

9、但可以提高响应频率。低损失灵敏度，但可以提高响应频率。 电容式传感器具有高动态响应，电容式传感器具有高动态响应，并且结构简单，但不适于液体测量。并且结构简单，但不适于液体测量。二、压电式压力传感器：二、压电式压力传感器： 压电材料是结晶物质，它在变形作用下会产生压电材料是结晶物质，它在变形作用下会产生电压。产生的电压与外力所引起的变形成正比。电压。产生的电压与外力所引起的变形成正比。 常用的压电材料是钛酸钡和常用的压电材料是钛酸钡和PZTPZT（钛酸盐与锆（钛酸盐与锆酸盐的混合物）晶体。酸盐的混合物）晶体。晶体变形引起压电材料上的应力并产生电压差：晶体变形引起压电材料上的应力并产生电压差： 三

10、、应变式压强传感器：三、应变式压强传感器： 将应变计附在柔性膜片上，当膜片在压强脉动下将应变计附在柔性膜片上，当膜片在压强脉动下挠曲时，应变计的电阻变化反映出膜片的应变量。挠曲时，应变计的电阻变化反映出膜片的应变量。 膜片在压强脉动膜片在压强脉动下挠曲应变计的电阻下挠曲应变计的电阻变化反映应变幅度变化反映应变幅度。应变应变式式压强传感器压强传感器的优点：的优点： 有直流漂移情况，可能引起电压输出的非线性有直流漂移情况，可能引起电压输出的非线性和放大器过载现象和放大器过载现象。 . .可做得非常薄，便于可做得非常薄，便于安设。安设。 . .极薄应变计对振动极薄应变计对振动不敏感，作为惠斯顿电桥的

11、不敏感，作为惠斯顿电桥的一臂，能反映微小应变量。一臂，能反映微小应变量。 . .可设计用于水下。可设计用于水下。应变应变式式压强传感器压强传感器的缺点：的缺点：四、时变压强信号的力学传送：四、时变压强信号的力学传送：总压管、静压孔与与简单的管式压差计连接分析：总压管、静压孔与与简单的管式压差计连接分析：若压强是波动的，管子的作用相当于有一定刚若压强是波动的，管子的作用相当于有一定刚度和阻尼的导线。度和阻尼的导线。 探头探头- -压差计系统与简单压差计系统与简单RCRC电电路相似：路相似： RR细探头的阻塞细探头的阻塞 CC敏感元件的刚度敏感元件的刚度 刚度较小的压差计通常灵刚度较小的压差计通常

12、灵敏度较大。敏度较大。 例：分析探头例：分析探头-压差计系压差计系统。流动阻力由统。流动阻力由横截面积为横截面积为A长度为长度为L的细探头决定：的细探头决定：流动阻抗流动阻抗Rm：LvUpARggm8上式中：上式中： g 流体运动粘度流体运动粘度 g 流体密度流体密度流动容抗流动容抗Cm：gApAHCLm1/LggmmgALvCR8gApAHCLm1/式中：式中： H H 压差计位移量压差计位移量L L 压差计工作流体密度压差计工作流体密度故，装置的时间常数为：故，装置的时间常数为： 如图为一种可传递如图为一种可传递压强脉动的方法。这种压强脉动的方法。这种管子可看成是一种有特管子可看成是一种有

13、特征质量、阻抗和容抗的征质量、阻抗和容抗的声发送线，或看成有一声发送线，或看成有一系共振频率的线性谐波系共振频率的线性谐波振荡器。振荡器。其它的时变压强信号传送方式：其它的时变压强信号传送方式： 左图为测量压左图为测量压强脉动的自由流强脉动的自由流探头。探头。 如图为一种针孔传如图为一种针孔传感器，它通过小孔的空感器，它通过小孔的空腔连接流体与传感器。腔连接流体与传感器。其充气空间的共振频率其充气空间的共振频率 为：为：,1,2,32omhmccCAfml v2/4, 8/3hhchhADlhDhD上式中：上式中： 这些压强传感器有一个共同特点：若尺寸较小则空间分这些压强传感器有一个共同特点：

14、若尺寸较小则空间分辨率高，频率响应好，但灵敏度较低；若尺寸较大的则辨率高，频率响应好，但灵敏度较低；若尺寸较大的则灵敏度好，但频率响应较低。因而选用时要仔细权衡。灵敏度好，但频率响应较低。因而选用时要仔细权衡。3-3 3-3 壁面剪应力测量壁面剪应力测量Preston管管Stanton管管热热-动量传动量传输模拟输模拟浮元件天平浮元件天平1.壁湍流的概念：壁湍流的概念：3-4 MEMS3-4 MEMS微传感器微传感器一、一、MEMSMEMS在壁湍流研究中的应用：在壁湍流研究中的应用：壁湍流（或称为壁面紊流）是指靠近边壁的湍流。壁湍流（或称为壁面紊流）是指靠近边壁的湍流。2.2.壁湍流的发生壁湍

15、流的发生猝发现象：（猝发现象：（BurstingBursting） 实验资料表明壁湍流是通过猝发现象产生的，实验资料表明壁湍流是通过猝发现象产生的，其过程如下：其过程如下：. .粘性底层中平面上出现顺流向的低、高速带粘性底层中平面上出现顺流向的低、高速带相间的带状结构。相间的带状结构。. .低速带向下游低速带向下游移动时，下游头部移动时，下游头部缓慢上举，出现横缓慢上举，出现横向涡旋。向涡旋。. .粘性底层中平面粘性底层中平面上出现顺流向的低上出现顺流向的低、高速带相间的带、高速带相间的带状结构。状结构。. .横向涡旋顶着低速带横向涡旋顶着低速带上升，并变形为马蹄形上升，并变形为马蹄形涡进入流

16、速大的流层，涡进入流速大的流层，马蹄形涡受拉伸作用突马蹄形涡受拉伸作用突然向上层高速流体然向上层高速流体“喷喷射射”，产生大量剧烈的，产生大量剧烈的紊动，变为错综复杂的紊动，变为错综复杂的涡旋。同时上层高速流涡旋。同时上层高速流体向下俯冲进入低速层体向下俯冲进入低速层，出现，出现“清扫清扫”。在。在“喷射喷射”与与“清扫清扫”下，下，层流转变为湍流（或称层流转变为湍流（或称紊流）。紊流）。. .再出现新的高、低速间隔带，重复以上过程，再出现新的高、低速间隔带，重复以上过程，使猝发现象（使猝发现象（“清扫清扫”+“+“喷射喷射” ” ）具有循环性）具有循环性和间歇性，发生地点和发生时间具有随机性

17、质。和间歇性，发生地点和发生时间具有随机性质。传感器、致动器和传感器、致动器和控制单元系统控制单元系统主动控制壁湍流的概念主动控制壁湍流的概念:主动控制射流湍流的主动控制射流湍流的微型电磁拍翼致动器微型电磁拍翼致动器（a）诱导流动与）诱导流动与 （b）静电驱动微）静电驱动微 流向涡相互作用；流向涡相互作用； 致动器。致动器。湍流控制的微致动器湍流控制的微致动器研究：研究：二、微剪应力传感器：二、微剪应力传感器： 微剪应力传感微剪应力传感器在自由飞实验器在自由飞实验测量中的使用：测量中的使用： 微剪应力传感器在自由飞实验测量中的使用：微剪应力传感器在自由飞实验测量中的使用：压强传感器压强传感器(

18、压电式压电式)三、微型压强传感器：三、微型压强传感器：内装集成电路放大器的压电传感器（内装集成电路放大器的压电传感器（ICPICP）：）：湍流声压传感器湍流声压传感器型号型号M103A02M103A02 NI NI专门设计的数据采集卡经同一根电缆输入脉动专门设计的数据采集卡经同一根电缆输入脉动压强信号，并向压强传感器供电。压强信号，并向压强传感器供电。 内装集成电路放大器的压电传感器（内装集成电路放大器的压电传感器（ICPICP）的特点：的特点：. .内装集成电路放大器的压电传感器（内装集成电路放大器的压电传感器（ICPICP）是低）是低阻抗电压输出型，它使用低成本的恒流源信号适调阻抗电压输出

19、型，它使用低成本的恒流源信号适调器供电。器供电。.ICP.ICP传感器非常适合于工作环境恶劣的工厂、水传感器非常适合于工作环境恶劣的工厂、水下和需要长电缆的野外试验中。下和需要长电缆的野外试验中。. .不必使用低噪声电缆和放大器，使得测量系统不必使用低噪声电缆和放大器，使得测量系统成本较低。成本较低。3-5 3-5 湍流边界层的平均特性测量湍流边界层的平均特性测量一一. .边界层的概念：边界层的概念：1.1.边界层的定义：边界层的定义：粘滞力惯性力我们知道：Re 边界层（附面层）：边界层（附面层）：流体绕流物体，当流体绕流物体，当ReRe数较大时流数较大时流体在物体表面附近所形成的速度梯度很大

20、的薄层体在物体表面附近所形成的速度梯度很大的薄层。2.2.层流边界层与湍流边界层：层流边界层与湍流边界层：流。时边界层内的流态为湍流；时边界层内的流态为层xxxx处称为转捩点。x 边界层内的流边界层内的流动开始于层流状态。动开始于层流状态。向下游流动，边界向下游流动，边界层的厚度不断增大，层的厚度不断增大，经过转捩点，流态经过转捩点，流态转变为湍流。转变为湍流。5103ReUx 当边界层厚度当边界层厚度较小时，边界层内的流速梯度很大，较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞力起主要作用，边界层内的流动属于层流，这种粘滞力起主要作用，边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层边界层称为层流边界

21、层。 当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为湍流，就成为湍流边界层。一个过渡区后转变为湍流，就成为湍流边界层。 在在湍流边界层湍流边界层内，最紧靠平板的地方，内，最紧靠平板的地方，du/dydu/dy仍很仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以湍大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以湍流边界层内有一粘性底层。流边界层内有一粘性底层。UUU粘性底层层流边界层湍流边界层过渡区边界层界限x*xyuu二二. .边界层的厚度、位移厚度和动量损失厚度：边界层的厚度、位移厚度和动量损失厚度：1.1.边界层厚度边界层厚度： 边界层厚

22、度边界层厚度( (名义厚度名义厚度) )：边界层内速度从零到边界层内速度从零到u=0.99Uu=0.99U处的厚度处的厚度。 边界层边界层的的厚度通常只有板长的几百分之一。实厚度通常只有板长的几百分之一。实际中很难精确确定其数值。际中很难精确确定其数值。0011*dyUudyUu位移厚度位移厚度* * 的定义：的定义：2.2.边界层位移厚度边界层位移厚度： 物面附近的流线因为边界层的物面附近的流线因为边界层的存在而被向外推移了存在而被向外推移了* * 的距离。的距离。 3.3.动量损失厚度动量损失厚度* * *：动量损失厚度动量损失厚度* * * 的定义：的定义：0011*dyUuUudyUuUu层流边界层层流边界层外部势流外部势流过渡区过渡区湍湍流边界层流边界层粘性流有旋流动区。粘性流有旋流动区。边界层外部流动边界层外部流动边界层内部流动边界层内部流动粘性力影响小，可用势流解。粘性力影响小，可用势流解。U三三. .二维零压强梯度平板边界层：二维零压强梯度平板边界层： 边界层内流体所损失的动量相当于通过厚度边界层内流体所损失的动量相当于通过厚度* ，并，并且以速度且以速度 U U 运动的流体所具有的动量。运动的流体所具有的动量。 外部势流外部势流U xy0vLULyvxu边界层流边界层流UvL 1L例：例：水，水，L=0.5m，U=0.2m/s，Re=1 10