8.6: 交叉圆柱流:测量压力分布和估计阻力系数

1. 测量气缸周围的压力分布

1. 拆下风洞测试部分的顶盖，在转盘上安装一个干净的铝制气缸（d = 4 in），并安装 24 个内置端口（图 3）。安装气缸，使端口零朝向上游 （图 4a）。
2. 更换顶盖，并将标有 0 - 23 的 24 个压力管连接到压力计面板上的相应端口。压力计面板应加注彩色油，但在水中标明。
3. 打开风洞，以60英里/小时的速度运行。通过读取压力计记录所有24个压力测量。在此空速下，雷诺数为 1.78 x 10⁵。预期流模式如图2d所示。
4. 记录完所有测量值后，关闭风洞，并垂直在气缸上胶带两根串（d = 1 mm），以创建扰动的气缸。在端口 3 和 4 之间磁带一个字符串（± = 52.5°），在端口 20 和 21 之间磁带另一个字符串（± = 307.5°）。确保附近的端口没有被磁带阻塞，如图4b所示。
5. 打开风洞，重复步骤 3。记录所有压力测量值。

图 3.横柱形流的量格压力测量布局。

图 4.在风洞中设置气缸（压力端口位于气缸中间）。

图 5.电表面板。

当流体在物体（如圆柱体）周围流动时，靠近物体的压力和速度会不断变化。根据无粘势流理论，圆柱体周围的压力分布是对称的，不仅在水平方向上，而且在垂直方向上，在圆柱体的上游和下游都是对称的。这导致净阻力为零。

然而，实验结果给出了不同的流型、压力分布和阻力系数，因为无粘势理论没有考虑流体粘度，这与实际情况有很大不同。考虑到流体的粘度，我们可以进一步了解圆柱体周围的真实流动模式。

首先，由于粘性力，沿圆柱体形成边界层。这些粘性力会导致蒙皮摩擦阻力，这是由流体在物体表面移动的摩擦力引起的阻力。

由于圆柱体是钝体，这意味着它不是流线型的，因此会发生流动分离，并在物体后面形成低压尾流。由于压差，这会导致更大的阻力形式。

此流动模式的特征依赖于雷诺数。雷诺数是用于描述流体的无量纲数，它是惯性力与粘性力的比率。Rho 无穷大是流体的密度，V 无穷大是自由流速度，D 是圆柱体的直径，mu 是流体的动态粘度。

在雷诺数约为 4 以型显示圆柱体后面的流动分离非常小。随着雷诺数的增加，流动分离增加。在大约 40 的雷诺数下方，我们在尾流中看到一对固定的涡旋。

在较高的雷诺数下，漩涡转变为漩涡街道，其交替漩涡模式是由称为涡旋脱落的过程引起的。在更高的雷诺数下，在层流边界层转变为湍流后，尾流变得杂乱无章。

最后，在非常高的雷诺数和湍流下，我们看到尾流变得更窄并且完全湍流。

在本实验中，我们将对具有 24 个压力端口的圆柱体进行风洞中的流体流动。然后，我们将使用每个测压口的压力测量值来检查压力分布并确定气缸上的阻力。

在本实验中，使用测试截面为 1 英尺 x 1 英尺的空气动力学风洞。此外，获得一个带有 24 个内置压力管端口的铝圆柱体。还需要一个有 24 个柱的压力计面板。

首先，首先取下测试部分的顶盖。通过测试部分底部的狭缝插入连接到气瓶端口的管子。然后将圆柱体安装在转盘顶部，调整其方向，使端口 0 朝向上游。

装回测试部分的顶盖，并将标记为 0 到 23 的 24 根压力管连接到压力计面板的相应端口。

所有管子都正确连接后，启动风洞。将风速提高到每小时 60 英里，并通过读取压力计记录所有 24 次压力测量值。现在，将风速设置回零并关闭风洞。打开 test 部分。

现在，通过在端口 3 和 4 之间垂直固定一根直径为 1 毫米的绳子来修改圆柱体，这相当于等于 52.5？的 theta。将绳子固定到位时，请尽可能保持绳子笔直。在端口 20 和 21 之间粘贴另一根字符串，即 theta 等于 307.5？。这些绳子会扰乱气流。使用销钉在蓝色胶带上穿孔，以便端口可以感应流压。

然后，关闭 test 部分。重新打开风洞，将风速提高到每小时 60 英里。使用压力计记录 24 次压力测量。

完成后，将风速设置回零并关闭风洞。断开管子与压力计的连接。然后打开测试部分并取下气缸。

现在，让我们解释一下结果。首先，我们可以使用自由流速度（每小时 60 英里）来确定雷诺数。圆柱体的直径、自由流的粘度和密度是已知的。因此，雷诺数等于 1.78 x 105。

在这个雷诺数下，我们可以预期会出现如图所示的流动模式，其中发生流动分离并导致气缸后面出现湍流低压尾流。这种压差会导致阻力。

现在，让我们看看我们的实验数据，在本例中是干净的圆柱体。由于对称性，我们将只查看端口 1 到 12。Theta 是端口的角度位置，P-gage 是压力计读数。

首先，计算每个端口的无量纲压力系数，其中 rho 无穷大和 V 无穷大分别是自由流密度和速度。对受干扰的圆柱体执行相同的计算。

如果我们绘制每个圆柱体的实验结果与理想圆柱体的比较，我们可以看到停滞点或 theta 等于零，清洁和受干扰圆柱体的压力系数都处于最大值。在 theta 等于 60？之前，干净和扰动的圆柱体与理想数据非常吻合。

在 60°C 之后，它们偏离了理想值，因为它们在气缸后部形成一个低压区域。如果我们回想一下预期的流型，我们可以看到，在流型的尾流区域，我们应该看到湍流漩涡和涡流。这种现象与两个气缸测得的低压区域非常吻合。

然而，当柱状物被添加到圆柱体中时，两者之间的差异就出现了，其中干净的圆柱体在尾流中的压力区域低于受干扰的圆柱体。这是因为在发生流动分离之前，受干扰的流动往往会更多地缠绕在圆柱体周围。边界层从层流开始，在扰动后立即转变为湍流。

你可以看到，它比干净的圆柱体更多地包裹在受干扰的圆柱体上，而干净的圆柱体在流动分离之前总是层流状的。因为扰动流在尾流中具有较高的背压，所以它应该具有较低的阻力。让我们确认一下这个假设。

首先，使用每个压力端口的角位置、与相邻端口的角距离、每个端口的表压以及圆柱体的半径来计算阻力 FD。计算出每个圆柱体的阻力后，我们就可以计算每个圆柱体的无量纲阻力系数 CD。

正如预期的那样，受干扰圆柱体的阻力系数低于干净的圆柱体。这些结果也解释了为什么高尔夫球会有凹痕。凹坑会导致湍流边界层流动，从而降低阻力。

总之，我们了解了在不同雷诺数下观察到的特征流模式以及向湍流的转变。然后，我们将圆柱体在风洞中进行横流测试，并测量沿其表面的压力分布，以确定每个圆柱体上的阻力。