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。
