实验流体力学课件.pptx

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1、主要内容本章任务：熟悉两种流动现象相似的条件、流体力学中常用的相似准则数，掌握利用量纲分析方法获得准则方程以及模化实验设计。流体力学基本量测量主要内容：第一节 流体力学的相似条件 第二节 流动的相似原理与近似模化实验 第三节 流体力学基本量测量仪表的选择与标定第1页/共50页 流体力学实验研究是指流体力学实验研究是指用人为控制的方法用人为控制的方法对所要研究的流对所要研究的流动现象或过程进行观察和测量，以达到以下目的：动现象或过程进行观察和测量，以达到以下目的：重复实现和观察某流动现象或过程，以便获得充分的感性认重复实现和观察某流动现象或过程，以便获得充分的感性认识、掌握其物理本质；识、掌握其

2、物理本质；通过参数测量，寻求物理量之间的关系；通过参数测量，寻求物理量之间的关系；验证理论分析或数值模拟计算结果；验证理论分析或数值模拟计算结果；设计、施工的可靠性检验。设计、施工的可靠性检验。第一节 流体力学的相似条件第2页/共50页流体力学的实验方法可分为两种：流体力学的实验方法可分为两种：原型实验：原型实验：直接得出直接得出反映实际流动的规律性结果反映实际流动的规律性结果模型实验：模型实验：限于实验条件的限制，通过设计与原型相似的模型限于实验条件的限制，通过设计与原型相似的模型进行研究，进行研究，间接获得间接获得实际流动的规律性结果。主要的模型实验实际流动的规律性结果。主要的模型实验方法

3、有：方法有：(1)几何尺寸几何尺寸的改变的改变(放大或缩小放大或缩小);(2)流动工质流动工质的改变的改变;(3)对原型的对原型的简化简化。第一节 流体力学的相似条件第3页/共50页模型实验的优点：模型实验的优点：节省费用；节省费用；简化实验过程；简化实验过程；科学地表达实验结果。科学地表达实验结果。用用无量纲的相似准则数整理和表达实验结无量纲的相似准则数整理和表达实验结果果，可以使其更具有代表性和适用性，有利于将模型试验结果推广应用到原，可以使其更具有代表性和适用性，有利于将模型试验结果推广应用到原型中去。型中去。模型实验的缺点：模型实验的缺点：边界条件和初始条件；边界条件和初始条件；相似准

4、则数的确定。相似准则数的确定。第一节 流体力学的相似条件第4页/共50页1.几何相似几何相似 模型与原型流动空间要相似。长度比例常数模型与原型流动空间要相似。长度比例常数Cl为：为：第一节 流体力学的相似条件第5页/共50页2.运动相似运动相似原型原型模型模型模型与原型流场对应点、对应时刻模型与原型流场对应点、对应时刻速度速度速度速度大小成比例，方向一致。大小成比例，方向一致。速度比例常数：速度比例常数：第一节第一节 流体力学的相似条件流体力学的相似条件第6页/共50页3.力学相似 模型与原型流场内各对应点上的相应力的大小成比例，方向一致。原型模型p1p1p2p21221力比例常数：力比例常数

5、：第一节 流体力学的相似条件第7页/共50页4.时间相似时间相似在非定常流中必须保证的相似条件。在非定常流中必须保证的相似条件。第一节第一节 流体力学的相似条件流体力学的相似条件第8页/共50页 几何相似是前提，力学相似是基础，运动相似是流几何相似是前提，力学相似是基础，运动相似是流场相似的表现。场相似的表现。基本比例常数（基本比例常数（Cl，CV，C）确定了其它比例常数）确定了其它比例常数很有用很有用!第一节 流体力学的相似条件第9页/共50页1.相似原理相似原理(1).两种流动相似，必定为同类现象，因此控制方程两种流动相似，必定为同类现象，因此控制方程相同。相同。(2).两种流动相似，所有

6、单值性条件相似。两种流动相似，所有单值性条件相似。单值性条件单值性条件单值性条件单值性条件包括流动空间几何形状、流动速度、流体性质、壁面包括流动空间几何形状、流动速度、流体性质、壁面包括流动空间几何形状、流动速度、流体性质、壁面包括流动空间几何形状、流动速度、流体性质、壁面条件、初始条件等等。条件、初始条件等等。条件、初始条件等等。条件、初始条件等等。(3).两两种种流流动动相相似似，那那么么单单值值性性条条件件中中某某些些物物理理量量组组成成的的相似准则数相似准则数（无量纲数）对应相等。（无量纲数）对应相等。Why?第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第10

7、页/共50页 例题例题1：设有两个二维不可压定常粘性设有两个二维不可压定常粘性流动相似流动相似，其控制方程，其控制方程N-S方程。具体形式如下（方程。具体形式如下（x 方向）：方向）：求各相似比例常数间的关系。求各相似比例常数间的关系。第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第11页/共50页原型和模型相应的控制方程：原型和模型相应的控制方程：由于两流动相似，那么任意物理参数之间有关系：由于两流动相似，那么任意物理参数之间有关系：第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验(原型原型,x 方向方向)(模型模型,x 方向方向)第12页/共5

8、0页改造模型方程：改造模型方程：得到：得到：第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第13页/共50页对比两个流动控制方程：对比两个流动控制方程：相似问题的控制方程应完全相同，对比后有：相似问题的控制方程应完全相同，对比后有：相似指标相似指标第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第14页/共50页 相似指标涉及的物理量即可组合成一个无量纲量相似指标涉及的物理量即可组合成一个无量纲量即相似准即相似准则数则数第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第15页/共50页 2.流体力学中的常用相似准则数流动相似时

9、，两个流场的欧拉数一定相等。流动相似时，两个流场的欧拉数一定相等。Eu数表明流场内数表明流场内压差力与惯性力之比，描述了两流场间压差力的相似。压差力与惯性力之比，描述了两流场间压差力的相似。压差压差压差压差对流问题。对流问题。对流问题。对流问题。流场惯性力与重力之比，表明两个流场的重力场相似。流场惯性力与重力之比，表明两个流场的重力场相似。明渠流明渠流明渠流明渠流动、船舶波动阻力问题动、船舶波动阻力问题动、船舶波动阻力问题动、船舶波动阻力问题。欧拉数：欧拉数：弗劳德数：弗劳德数：第16页/共50页流场惯性力与粘性力之比，表示流场中粘性力作用的相似。流场惯性力与粘性力之比，表示流场中粘性力作用的

10、相似。管内粘性流动、外部绕流的摩擦阻力问题。管内粘性流动、外部绕流的摩擦阻力问题。管内粘性流动、外部绕流的摩擦阻力问题。管内粘性流动、外部绕流的摩擦阻力问题。雷诺数：雷诺数：Re=DV/马赫数：马赫数：Ma=V/a流场惯性力与弹性力之比，表示流场弹性力流场惯性力与弹性力之比，表示流场弹性力/压缩性影响的相似，压缩性影响的相似，在在可压缩流动（可压缩流动（可压缩流动（可压缩流动（Ma0.3)Ma0.3)中是一个重要准则。中是一个重要准则。第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第17页/共50页 根据相似原理，在几何相似、边界条件和初始条件相似的根据相似原理，在几何

11、相似、边界条件和初始条件相似的前提下，只要所有的相似准则相等，则流场必定相似，并且互前提下，只要所有的相似准则相等，则流场必定相似，并且互为充分必要条件。为充分必要条件。流场中表面张力的相似。流场中表面张力的相似。毛细管内流动问题毛细管内流动问题毛细管内流动问题毛细管内流动问题 相似准则数的幂、加相似准则数的幂、加/减常参数后仍为该准则数。减常参数后仍为该准则数。韦伯数：韦伯数：第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第18页/共50页 模型实验以模型实验以相似原理相似原理相似原理相似原理为基础，按一定规则改变流为基础，按一定规则改变流动参数（如流体介质、流动速度

12、与流场尺寸）来设计动参数（如流体介质、流动速度与流场尺寸）来设计模型实验台，然后利用相似原理整理模型实验获得的模型实验台，然后利用相似原理整理模型实验获得的数据，找出其规律，并将之应用于所有与模型相似的数据，找出其规律，并将之应用于所有与模型相似的实际流动。实际流动。3.模型实验模型实验第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第19页/共50页 两两种种流流动动(模模型型和和原原型型)满满足足几几何何相相似似、运运动动相相似似和和动动力力相相似似，即即所所有有的的准准则则数数(Re,Eu,Ma,Fr)分分别别相相等等，且具有相似的相似的初始和边界条件。且具有相似的

13、相似的初始和边界条件。但但是是，同同时时满满足足几几个个相相似似准准则则数数都都相相等等，在在实实验验设设计过程中实现很困难，有时根本办不到。计过程中实现很困难，有时根本办不到。4.全面的力学相似全面的力学相似第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第20页/共50页 5.为什么要进行近似模型实验？为什么要进行近似模型实验？取取Cl=0.1，Cg=1,则则CV=0.316取取Cl=0.1，若，若CV=0.316,则则Cn=0.0316取取Cl=0.1,若若Cn=1,则则CV=10若满足若满足Re数相等：数相等：对于同一种流体，若同时满足对于同一种流体，若同时满足F

14、r数相等：数相等：因此，速度比例系数因此，速度比例系数CV产生了矛盾。产生了矛盾。为了解决这个矛盾，采用不同动力粘度的介质，先满足为了解决这个矛盾，采用不同动力粘度的介质，先满足Fr 数，然后计数，然后计算满足算满足Re数需要的介质粘度，即：数需要的介质粘度，即：在实验设计过程中，找到一种介质的动力粘度为原型介质在实验设计过程中，找到一种介质的动力粘度为原型介质1/31.6，很难办到。很难办到。第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第21页/共50页第二节 流动的相似原理与近似模化实验图图1 水与空气粘度值水与空气粘度值第22页/共50页说明原因：说明原因：当当

15、定定性性准准则则只只有有两两个个时时，模模型型中中流流体体介介质质选选择择要要受受模模型型尺尺寸寸选选择择的的限限制制，若若定定性性准准则则有有三三个个时时，除除介介质质的的选选择择受受限限制制外外，流流体体的的其其他他物物理理量量也也要要相相互互受受限限制制，这这就就使使得得模模型型设设计计难难以以进进行行。因因此此，工工程程上上常常常常采采用用近近似似的的模模型型实实验验方方法法(近近似似模模化化法法)，即：，即：满足主要定性准则，抓住主要问题的主要方面。满足主要定性准则，抓住主要问题的主要方面。第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第23页/共50页 对于

16、重力为主要因素的流动，按Fr准则设计相似模型。如明渠/河道流动、船舶的波动阻力波动阻力问题。采用Fr准则，相似流场间有：Eum=Eup 几何相似、几何相似、Frm=Frp(1)Fr模化法模化法 6.常用的近似模型实验方法常用的近似模型实验方法相似相似第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第24页/共50页(2)Re 模化法模化法 对于粘性作用为主导因素的流场，可按对于粘性作用为主导因素的流场，可按Re相等设计相似模型。相等设计相似模型。如管内流动，流体机械内的流动如管内流动，流体机械内的流动/外部绕流的摩阻和形阻外部绕流的摩阻和形阻外部绕流的摩阻和形阻外部绕流的

17、摩阻和形阻计算计算问题。采用问题。采用Re准则，相似流场间有：准则，相似流场间有：Eum=Eup 几何相似、几何相似、Rem=Rep相似相似第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第25页/共50页(3)Eu 模化法 在某些条件下，管内的流动速度不再受在某些条件下，管内的流动速度不再受Re数的影响（自模化状数的影响（自模化状态），此时可仅考虑态），此时可仅考虑Euler准则。相似流场间有：准则。相似流场间有：几何相似、几何相似、Eum=Eup 阻力自模化现象：粘性力作用自动相似阻力自模化现象：粘性力作用自动相似第一自模区：第一自模区：Re2000第二自模区：水力粗

18、糙湍流区第二自模区：水力粗糙湍流区速度分布相似速度分布相似第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验第26页/共50页 第二节第二节 流动的相似原理与近似模化实验流动的相似原理与近似模化实验图图2 Moody 图图第27页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定1.仪表的选择压力传感器的选择：(1)电阻应变式压力传感器金属电阻丝应变片+弹性元件 影响因素：金属电阻(丝/箔)的温度系数；金属电阻膨胀系数；弹性元件的线性膨胀系数；特点：特点：电桥自温度补偿：温度补偿片电桥自温度补偿：温度补偿片 精度低；精度低；图图3 电阻应变片电阻应变片(a)丝绕式丝绕式 (

19、b)箔式箔式第28页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定1.仪表的选择(2)压阻式压力传感器 (半导体晶体的压阻效应)影响因素：半导体的电阻温度系数远高于金属电阻；特点：全电桥式自温度补偿+二极管对称接地；精度高；通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为100倍。图图4 压阻式压力传感器压阻式压力传感器(a)扩散硅膜片扩散硅膜片 (b)传感器结构传感器结构图图5 压阻式压力传感器的温度补偿压阻式压力传感器的温度补偿第29页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定1.仪表的选择(3)电容式压力压差变送器 图图6 电容式压力压差变送器电容式压力压差变送器第3

20、0页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定1.仪表的选择(3)电容式压力压差变送器 原理：测量膜片两侧压力的改变引起电极板间相对位置的变化，以此度量压差的大小。特点：电容变化和输入位移是非线性的；可以输出电压、电流、频率等信号；结构简单，动态响应好；过载能力强，自热影响极小。第31页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定1.仪表的选择(4)流速测量仪表的选择：皮托管；三孔探针；五孔探针；热线和热膜测速；PIV(Particle Image Velocimetry)粒子测速；激光测速 超声波测速第32页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定2.常用仪表的标定(

21、1)压力计的标定图图7 活塞式压力计活塞式压力计-测量与标定测量与标定第33页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定2.常用仪表的标定(2)液体流量计标定 静态静态容积法标定容积法标定 静态静态称重法标定称重法标定 动态动态容积法标定容积法标定 动态动态称重法标定称重法标定 标准体积管法标定标准体积管法标定 标准表法标定标准表法标定图图8 上海理工大学研制的水流上海理工大学研制的水流量计标定实验装置量计标定实验装置第34页/共50页图图9 静态称重法液体流量标准装置静态称重法液体流量标准装置第35页/共50页图图10 静态容积法液体流量标准装置静态容积法液体流量标准装置第36页/共

22、50页图图11 稳压容器结构和调节系统稳压容器结构和调节系统第37页/共50页图图12 动态称重法液体流量标准装置动态称重法液体流量标准装置第38页/共50页1.静静态态称称重重法法装装置置准准确确度度最最高高，可可达达0.05-0.1%；2.可可以以采采用用准准确确度度高高的的称称量量装装置置，其其极极限限误误差差为为被被称称符符合合质质量量的的 0.005-0.05%；3.流流体体是是在在静静止止状状态态下下称称重重的的，称称重重容器与管路没有任何机械联系；容器与管路没有任何机械联系；4.需需要要换换向向设设备备(如如换换向向器器、换换向向阀阀等等)会产生系统误差；会产生系统误差；5.装装

23、置置结结构构简简单单，复复现现的的流流量量范范围围也也宽；宽；6.在在一一测测量量周周期期内内，经经过过被被检检流流量量计计的液体量与静止称重的液体量相同；的液体量与静止称重的液体量相同；1.动动态态称称重重法法装装置置准准确确度度可可达达0.2-0.4%；2.虽虽然然可可以以采采用用准准确确度度高高的的称称量量装装置置，但但其其极极限限误误差差为为由由于于动动态态效效应应，只只能能为为 0.1-0.2%；3.流流体体是是在在动动止止状状态态下下称称重重的的，称称重重容容器器与与管管路路有有机机械械联联系系，降降低低称称量量的的准准确确度；度；4.不需要换向设备，没有该项误差；不需要换向设备，

24、没有该项误差；5.装装置置结结构构更更简简单单，复复现现的的流流量量范范围围更更宽；宽；6.在在一一测测量量周周期期内内，经经过过被被检检流流量量计计的的液体量与动态称重的液体量不等；液体量与动态称重的液体量不等；表表1 动静态称重法装置比较动静态称重法装置比较静态称重法静态称重法动态称重法动态称重法第39页/共50页7.射流的冲击力对称量不影响；射流的冲击力对称量不影响；8.当当称称量量容容器器充充满满液液体体时时，其其重重心心升升高，称量时不影响准确度；高，称量时不影响准确度；9.称称量量装装置置的的输输出出信信号号能能同同步步跟跟随随称称量量容容器器的的质质量量变变化化，不不受受惯惯性性

25、的的滞滞后后的影响；的影响；10.可作为原始的最高传递标准；可作为原始的最高传递标准；11.测测量量腐腐蚀蚀性性和和毒毒性性液液体体时时需需要要采采取保护措施；取保护措施；12.测测量量准准确确度度不不受受流流体体速速度度大大小小的的限制；限制；13.在在测测量量挥挥发发性性液液体体时时，准准确确度度降降低。低。7.射流的冲击力对称量产生影响；射流的冲击力对称量产生影响；8.对对称称量量容容器器产产生生推推力力，影影响响称称量量的的准准确度；确度；9.称称量量装装置置的的输输出出信信号号不不能能同同步步跟跟随随称称量量容容器器的的质质量量变变化化，受受惯惯性性的的滞滞后后的的影影响，产生系统误

26、差；响，产生系统误差；10.在在一一定定的的准准确确度度范范围围内内，可可作作传传递递标准；标准；11.装装置置本本身身容容易易实实现现密密封封，可可用用于于检检定有害液体的流量计；定有害液体的流量计；12.只只有有在在流流速速低低于于3m/s以以下下，可可以以获获得高准确度和复现性；得高准确度和复现性；13.在在测测量量挥挥发发性性液液体体时时，不不会会降降低低准准确度。确度。表表1 动静态称重法装置比较动静态称重法装置比较(续续)第40页/共50页表表2 动静态容积法装置比较动静态容积法装置比较静态容积法静态容积法动态容积法动态容积法1.静静态态容容积积法法流流量量标标准准装装置置准准确确

27、度度为为0.05-0.2%；2.没有动态效应误差；没有动态效应误差；3.有有换换向向器器或或换换向向阀阀等等的的系系统统和和随随机误差；机误差；4.在在同同一一测测量量周周期期内内，经经过过被被检检流流量计液体与工作量器测量值相等；量计液体与工作量器测量值相等；5.实实现现测测量量腐腐蚀蚀性性、毒毒性性和和挥挥发发性性流体较困难。流体较困难。1.动动态态容容积积法法流流量量标标准准装装置置准准确确度度为为0.2-0.5%；2.有动态效应误差；有动态效应误差；3.没有换向器或换向阀的误差；没有换向器或换向阀的误差；4.在在同同一一测测量量周周期期内内，经经过过被被检检流流量量计计的液体与工作量器

28、的测量值有误差；的液体与工作量器的测量值有误差；5.容容易易实实现现测测量量腐腐蚀蚀性性、毒毒性性和和挥挥发发性性的流体。的流体。第41页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定标准表法标定工作原理：以标 准 流量计(可以是速度式流量计、容积式流量计、临界流流量计、质量流量计和热能表等)为标准器，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计，比较两者的输出流量值，从而确定被检流量计的计量性能。标准体积管法标定工作原理：当体积管内的置换器在液体推动下，以一定的速度先后触发两个检测开关时，将置换出的液体导进标准器内，由标准器的指示值经换算求得体积管的标准容积值。第42页/共50页

29、置换器：置换器：球式体积管一般采球式体积管一般采用表面光滑，无明显划用表面光滑，无明显划痕的中空弹性球作为置痕的中空弹性球作为置换器，球内注满水或乙换器，球内注满水或乙二醇等液体，注液充压二醇等液体，注液充压时，可适当膨大。由充时，可适当膨大。由充液后直径比体积管标准液后直径比体积管标准容积段的内径大容积段的内径大2-4的球在其运行时的球在其运行时与管壁与管壁有良好的密封性有良好的密封性。活塞体积管一般采活塞体积管一般采用具有良好密封性能的用具有良好密封性能的圆柱形活塞作为置换器。圆柱形活塞作为置换器。图图13 单向型体积管单向型体积管第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定第43页/共50页

30、图图 14 开封仪表厂为中石油大庆油田销售公司生产的开封仪表厂为中石油大庆油田销售公司生产的DN300保温型车载式双向体积管保温型车载式双向体积管第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定第44页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定2.常用仪表的标定(3)气体流量计的标定 钟罩法标定钟罩法标定 P.V.T.t 法标定法标定 标准表法标定（含音速喷嘴）标准表法标定（含音速喷嘴）第45页/共50页钟罩法标定：工作原理：如 图 1 1所示，装置是由可动的钟罩和固定的液槽构成一个容积可变的密封空腔。钟罩下降过程中通过压力补偿机构，使其内部气体压力保持一定值，不随钟罩浸入密封液体中的深度而变

31、化。钟罩两挡板之间的容积是固定的，测出两挡板先后通过光电发讯器所经历的时间，可计算出瞬时流量。图图15 钟罩式气体流量标准装置钟罩式气体流量标准装置第46页/共50页图图16 浙江省计量科学研究院浙江省计量科学研究院研制的高精度钟罩式气体流研制的高精度钟罩式气体流量标准装置量标准装置第47页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定 p.V.T.t 法标定：法标定：工作原理：在某一时间间隔工作原理：在某一时间间隔t内，气体流入或流出容积为内，气体流入或流出容积为V的标准容器，根据标准容器内气体的绝对压力的标准容器，根据标准容器内气体的绝对压力p和热力学温度和热力学温度T的变化，可以求得气体质量流量。装置主要用于鉴定临界流的变化，可以求得气体质量流量。装置主要用于鉴定临界流喷嘴，也可用于检定其它气体流量计。喷嘴，也可用于检定其它气体流量计。图图17 p.V.T.t 法气体流量标准装置示意图法气体流量标准装置示意图第48页/共50页第三节流体力学基本量测量仪表的选择与标定2.常用仪表的标定(3)流速计的标定图图18 在小型风洞上标定皮托管和速度探针在小型风洞上标定皮托管和速度探针(上海理工大学研制上海理工大学研制)第49页/共50页感谢您的观看！第50页/共50页