实验2 湍流边界层特性测量实验——LDV测量

创建时间:  2022/03/25  黄兴   浏览次数:   返回

实验2 湍流边界层特性测量实验——LDV测量

(流体力学选修实验)

粘性流体的边界层流动特性是粘性流体流动的重要特征,湍流边界层中的流速分布、湍流度变化在湍流边界层中的动量和质量传递中有明显的作用。在明渠水流中,边界层的流速分布,湍流度沿水深变化对河道的流动和水环境有重要影响。本实验采用激光流速仪——LDV,对水槽中的明渠均匀流沿水深的流速分布和湍流度进行测量,并对测量结果进行数据分析,了解和掌握湍流边界层流动的特征。

一、 实验目的

通过本实验,使学生熟悉掌握循环玻璃水槽明渠流动的调节与控制,并学习激光流速仪一维流动和湍流度的测量方法。然后通过数据处理和整理,掌握湍流边界层流动内、外区的差别以及深入了解边界层流动特性和机理。

二、 实验设备

1. 循环玻璃水槽实验系统

2. 激光流速仪(LDV)和计算机数据记录及处理系统

三、 实验原理

在水槽中对明渠水流的湍流边界层进行测量,首先需要在循环玻璃水槽中形成稳定的明渠均匀流(或近似均匀流);然后运用激光流速仪的高分辨率和对流场无干涉的特点,沿水深测量从水面附近至底壁附近的实时流速分布信号,得到湍流边界层(平板)内、外区流速分布和湍流强度,并且假定湍流边界层内流速近似符合指数速度分布,得到边界层内、外区的不同速度分布指数,最后可综合分析湍流边界层特征。

四、 实验步骤

1. 开启循环水槽供水泵,通过节流阀和尾门控制玻璃水槽内的流量和水位。

2. 采用浮标漂流方法,测定水槽内水流流速的近似值,确定激光流速仪测速档次。

3. 开启激光流速仪,使两束激光的交点位于水槽中心垂直面上;并用自动坐标架设定沿水深测点的垂直坐标,测点分布应该外区稀、内区密,即靠近水面附近测点垂向间距大,接近底壁处逐渐加密,以满足边界层流速垂向变化的需要。

4. 调整好激光流速仪接受探头,使仪器有良好的信号。开始从上向下逐点测量流向流速实时信号。

5. 通过计算机对激光流速仪信号进行数据处理,得到时均流速,湍流度沿水深的分布。

6. 注意记录实验时的气温和水温。

五、 实验结果整理

1. 根据LDV测量整理得到明渠湍流边界层沿水深的时均流速和湍流速分布曲线,分析边界层内、外区的分布曲线不同性质。

2. 假定明渠流沿水深的流速分布近似为指数公式,即

式中:x为流向,y为垂向;u0是水面附近的时均流速,ux是距底壁为y的时均流速,采用对数回归法分别求出边界层内、外区的n值,并得到边界层内、外区的近似分隔位置。

运用湍流边界层一般理论和实验结果,分析和描述明渠水流湍流边界层的特性。