实验五空气动力学实验 空气动力学研究的是气体流动问题。由于在实践中的广泛应用，这方面的理论研究己较 完善。本实验通过“空气动力仪”对空气流的多个项目进行测试，使同学们能够全面、深入 地学习、理解“空气动力学”中的主要内容。 【实验目的】 1.学习、了解“空气动力仪”的基本结构 2.掌握测试流动气体中各种压力的方法： 3.验证流体力学的基本定律： 4.了解机翼的动力学效应。 【实验原理】 1.流体动力学的两个基本定律 (1)连续性方程 如图1所示的细管中，不可压缩流体作稳恒 流动。取两个横截面，其面积分别为A1和A2。设 ?和2是这两个横截面处流体的流速。如流体的 密度为p,则在d山时间内，流进A1的流体质量为 pA1vd,流出A2的流体质量为pA22d1。由于质 图1 量守恒，则 DA1 vidt=pA2 vadt (1) 这就是流体的连续性方程。 理想流体是指决不可压缩、完全没有黏性的流体。虽然气体的可压缩性很大，但是就流 动的气体而言，很小的压强改变就足以导致气体的流动，不会引起密度的明显变化，所以在 研究流动的气体问题时，也可以忽略气体的可压缩性，故可认为密度不随时间变化。所以 (1)式可简化为 A1V1=A22 (2) 2.伯努利方程 利用功能原理可证明，在封闭的细流管中，流体内任一点恒满足下式 D+PW+2m=恒量 (3) 其中p为绝对压力，y为距重力势能零点的距离。 3.流体的压力测量 流动流体中压力的可采用图2所示的方法进行测量。由图2-(1)和(2)所测得的p 为静压力：由图2-(3)所测得的p'为总压力，即p'=p+(12)p2:由图2-(4)所测 得的压力一般称为动压力，即△p=p'p=(1/2)p2。 13
13 实验五 空气动力学实验 空气动力学研究的是气体流动问题。由于在实践中的广泛应用，这方面的理论研究已较 完善。本实验通过“空气动力仪”对空气流的多个项目进行测试，使同学们能够全面、深入 地学习、理解“空气动力学”中的主要内容。 【实验目的】 1． 学习、了解“空气动力仪”的基本结构； 2． 掌握测试流动气体中各种压力的方法； 3． 验证流体力学的基本定律； 4． 了解机翼的动力学效应。 【实验原理】 1． 流体动力学的两个基本定律 （1） 连续性方程 如图 1 所示的细管中，不可压缩流体作稳恒 流动。取两个横截面，其面积分别为 A1 和 A2。设 v1 和 v2 是这两个横截面处流体的流速。如流体的 密度为 ，则在 dt 时间内，流进 A1 的流体质量为 A1 v1dt，流出 A2 的流体质量为 A2 v2dt。由于质 量守恒，则 A1 v1dt = A2 v2dt （1） 这就是流体的连续性方程。 理想流体是指决不可压缩、完全没有黏性的流体。虽然气体的可压缩性很大，但是就流 动的气体而言，很小的压强改变就足以导致气体的流动，不会引起密度的明显变化，所以在 研究流动的气体问题时，也可以忽略气体的可压缩性，故可认为密度不随时间变化。所以 （）式可简化为 A1 v1 = A2 v2 （2） . 2． 伯努利方程 利用功能原理可证明，在封闭的细流管中，流体内任一点恒满足下式 恒量 2 1 2 p + gy + v = （3） 其中 p 为绝对压力，y 为距重力势能零点的距离。 3． 流体的压力测量 流动流体中压力的可采用图 2 所示的方法进行测量。由图 2 -（1）和（2）所测得的 p 为静压力；由图 2 -（3）所测得的 p＇为总压力，即 p＇= p + (1/2) v 2；由图 2 -（4）所测 得的压力一般称为动压力，即p = p＇-p = (1/2) v 2。 v1 A1 A2 v2 图 1
由伯努利方程可推得，此时流体的流速为 (4) p 本实验的测量装置放置在风洞中，故为风洞中空气的密度，在标准状态下干燥空气的密度 为p=1.293kgm3。p为传感头测得的动压力。v为传感头所在处的风速。 司新元司 4 图2 4.航空物理知识 图3表示绕飞机机翼截面形成的流 线。从途中可以看出，在机翼上面形成 高流速、低压力的区域：在机翼下面几 乎保持原来的大气压力。所以机翼在飞 行中不但受到与速度方向相反的阻力 F,又受到与运动方向垂直的升力F。 在一定的飞行速度下，两分力的大小与 图3 飞行角度a有关。 【实验仪器】 本实验可根据实验内容自行组装实验装置进行不同方面的实验项目。操作者在安装、调 试实验装置前，必须查阅实验室的相关一起使用说明。 1.吸压式风机：该风机是本实验系统的核心。风机转速最高可达2550r/min,风量为875mh 持续工作时间约为3min,转速改变时调整时间约为30s。 5 图4 图5 14
14 由伯努利方程可推得，此时流体的流速为 p v = （4） 本实验的测量装置放置在风洞中，故为风洞中空气的密度，在标准状态下干燥空气的密度 为 = 1.293 kg/m3。p 为传感头测得的动压力。v 为传感头所在处的风速。 4． 航空物理知识 图 3 表示绕飞机机翼截面形成的流 线。从途中可以看出，在机翼上面形成 高流速、低压力的区域；在机翼下面几 乎保持原来的大气压力。所以机翼在飞 行中不但受到与速度方向相反的阻力 Fw，又受到与运动方向垂直的升力 Fa。 在一定的飞行速度下，两分力的大小与 飞行角度有关。 【实验仪器】 本实验可根据实验内容自行组装实验装置进行不同方面的实验项目。操作者在安装、调 试实验装置前，必须查阅实验室的相关一起使用说明。 1． 吸压式风机：该风机是本实验系统的核心。风机转速最高可达2550 r/min，风量为875 m3 /h, 持续工作时间约为 3 min，转速改变时调整时间约为 30 s。 p p P' （1） (2) (3) (4) 图 2 a Fa Fw 图 3 图 4 1 5 4 3 2 图 5
2.精密压力计：见图4，其中1.储液器：2.供高压测量时用的接头：3.供低压测量用 的接头：4.风速读数标尺(0~22ms):5.压力标尺(0~310Pa):6.水准泡：7.紧 固螺母。 3.压力传感头：见图5，其中1.总压力传感头，测试时使开口对准气流方向：2.静压力 传感头，测试时使开口处垂直于气流方向：3.接高压端：4.接低压端：5.固定点。（压 力传感头可与精密压力机或压力传感器配合使用) 4.扇形测力计：见图6，用带有线槽的弹簧线盒和传递力线测力，测试范围0~0.65N。 5.升力秤：见图6，采用弹簧和可引导滑轮上下平行移动的滑块测试升力。测试范围一1 +2N。 6.滑轮小车：见图6，带有滑轮可在导轨上滑动的辅助小车。其上有可安装升力秤的插座。 左右有安装挂钩或配平块的插空，下面可通过直角支撑杆连接被测物体。（安装时应使 用备件箱内的木夹) 升摔 扇形测力计 滑轮小车 角标尺 机翼梗型 风洞 图6 7.导轨：用以安放滑轮小车、 扇形测力计等。 机翼上方的孔 8.角标尺：见图6，可测试角 探头2 度变化范围-16~+16°。 9.机翼气流层模型 探头1 见图7，机翼模型上共有9 个气孔，上、下方各有4个，分 别与两侧测量孔相同。上方气孔 与探头1处测量孔连通。下方气 机翼下方的孔 孔与探头2处测量孔连通。机翼 角度变化范围：-50°~+50°。 系统还备有风洞的斜底面、 图7 公
15 2． 精密压力计：见图 4，其中 1．储液器；2．供高压测量时用的接头；3．供低压测量用 的接头；4．风速读数标尺（0～22 m/s）；5．压力标尺（0～310 Pa）；6．水准泡；7．紧 固螺母。 3． 压力传感头：见图 5，其中 1．总压力传感头，测试时使开口对准气流方向；2．静压力 传感头，测试时使开口处垂直于气流方向；3．接高压端；4．接低压端；5．固定点。（压 力传感头可与精密压力机或压力传感器配合使用） 4． 扇形测力计：见图 6，用带有线槽的弹簧线盒和传递力线测力，测试范围 0～0.65 N。 5． 升力秤：见图 6，采用弹簧和可引导滑轮上下平行移动的滑块测试升力。测试范围－1～ ＋2 N。 6． 滑轮小车：见图 6，带有滑轮可在导轨上滑动的辅助小车。其上有可安装升力秤的插座。 左右有安装挂钩或配平块的插空，下面可通过直角支撑杆连接被测物体。（安装时应使 用备件箱内的木夹） 7． 导轨：用以安放滑轮小车、 扇形测力计等。 8． 角标尺：见图 6，可测试角 度变化范围－16～＋16°。 9． 机翼气流层模型 见图 7，机翼模型上共有 9 个气孔，上、下方各有 4 个，分 别与两侧测量孔相同。上方气孔 与探头 1 处测量孔连通。下方气 孔与探头 2 处测量孔连通。机翼 角度变化范围：-50°～+50°。 系统还备有风洞的斜底面、 图 6 图 7
压力传感器、各种所需支架、底座和被测物件等。 【实验内容】 1.风洞实验 (1)验证连续性方程 在风机后安装封闭并透明的玻璃罩作为风洞，其上放置密封导轨，其下安放斜底面。用 压力传感头配合精密压力计（或压力传感器）测试斜面个标志处的动压力△P及风速，即 算各标志处流量，验证连续性方程。 (3)机翼模型测试 在风洞内滑轮小车下安装机翼模型，在风道上需安装密封导轨，同时插入角标尺（见图 6)。用扇形测力计和升力秤测量计一。改变机翼的飞行角从十12°~8°左右，每改变2° 测量其所受的阻力F和升力F。实验前，使飞行角度处于十12°，调节风机风速，使机翼 所受阻力约为2N。根据所测数据绘制F~F图（注明各飞行角），请判断你认为的最佳飞行 起飞角。 5.开口实验： (1)将机翼气流层模型放置在风机后，两探头对称放置并分别与精密压力计（压力传感器） 相连。改变机翼角度（每10°测量一次），测量机翼上下面的压力差。 (2)改变探头位置，重复以上实验。 (3)作角度~压力差曲线，你能否根据实验数据判断飞机起飞时记忆的最佳角度，为什么？ 【注意事项】 1.因插件很细，故滑轮小车和升力计在拆卸和安装时，请注意用力方式。 2.风机吸入口及风洞的通风口前需有一段开阔区。风机持续工作时间不要超过3分钟。 3.精密压力计内的液体是专用的，安装事请注意防止溢出。不用时请将试管口盖住。 4.应用扇形测力计和升力秤测量时，不要超载。 【参考文献】 [1]金仲辉，梁德余.大学物理教程.北京：科学出版社.2000.5 [2]张也影.流体力学.北京：高等教育出版社.1999.6 [3]陆廷济，胡德敬，陈铭南主编物理实验教程.上海：同济大学出版社.2000.9
16 压力传感器、各种所需支架、底座和被测物件等。 【实验内容】 1．风洞实验 （1）验证连续性方程 在风机后安装封闭并透明的玻璃罩作为风洞，其上放置密封导轨，其下安放斜底面。用 压力传感头配合精密压力计（或压力传感器）测试斜面个标志处的动压力P 及风速 v0，即 算各标志处流量，验证连续性方程。 （3）机翼模型测试 在风洞内滑轮小车下安装机翼模型，在风道上需安装密封导轨，同时插入角标尺（见图 6）。用扇形测力计和升力秤测量计一。改变机翼的飞行角从＋12°～8°左右，每改变 2° 测量其所受的阻力 Fw 和升力 Fa。实验前，使飞行角度处于＋12°，调节风机风速，使机翼 所受阻力约为 2N。根据所测数据绘制 Fw～Fa 图（注明各飞行角），请判断你认为的最佳飞行 起飞角。 5． 开口实验： （1）将机翼气流层模型放置在风机后，两探头对称放置并分别与精密压力计（压力传感器） 相连。改变机翼角度（每 10°测量一次），测量机翼上下面的压力差。 （2）改变探头位置，重复以上实验。 （3）作角度～压力差曲线，你能否根据实验数据判断飞机起飞时记忆的最佳角度，为什么？ 【注意事项】 1．因插件很细，故滑轮小车和升力计在拆卸和安装时，请注意用力方式。 2．风机吸入口及风洞的通风口前需有一段开阔区。风机持续工作时间不要超过 3 分钟。 3．精密压力计内的液体是专用的，安装事请注意防止溢出。不用时请将试管口盖住。 4．应用扇形测力计和升力秤测量时，不要超载。 【参考文献】 [1] 金仲辉,梁德余.大学物理教程.北京：科学出版社.2000.5 [2] 张也影.流体力学.北京：高等教育出版社.1999.6 [3] 陆廷济，胡德敬，陈铭南主编.物理实验教程.上海:同济大学出版社.2000.9