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交叉圆柱流:测量压力分布和估计阻力系数
 
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交叉圆柱流:测量压力分布和估计阻力系数

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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。根据无势流理论,圆柱体周围的压力分布是对称的,不仅水平分布,而且垂直、上、下游。这将导致零净阻力。

然而,实验结果给出了不同的流动模式、压力分布和阻力系数,因为不值一提电位理论没有考虑到流体粘度,这与现实有很大不同。考虑到流体的粘度,我们可以进一步了解气缸周围的实际流动模式。

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

由于圆柱体是虚张声势的体,这意味着它不流线型,因此会发生流量分离,并且在物体后面形成低压唤醒。由于压差,这会导致更大的阻力形式。

此流模式的特性依赖于雷诺数。雷诺数是一个用于描述流体的无维数,它是惯性力与粘性力的比率。罗无穷大是流体的密度,V无穷大是自由流速,D是圆柱体的直径,月是流体的动态粘度。

在雷诺数约 4 下方,流量模式显示气缸后面的流量分离非常小。随着雷诺数的增加,流量分离增加。在雷诺数约40的下方,我们看到一对固定的涡流。

在较高的雷诺数,涡流转移到涡流街道与交替涡流的模式,由一个过程称为涡流脱落。在更高的雷诺数,在层状边界层经历了向湍流的过渡后,唤醒变得杂乱无章。

最后,在非常高的雷诺数和湍流,我们看到唤醒变得狭窄和完全湍流。

在本实验中,我们将对一个有24个压力端口的圆柱体进行风洞中的流体流动。然后,我们将使用每个压力水龙头的压力测量值来检查压力分布并确定油缸上的阻力。

对于此实验,使用空气动力学风洞的测试部分为 1 英尺乘 1 英尺。此外,获得一个铝制气缸,该油缸具有 24 个用于压力管的内置端口。还需要一个带24列的电计面板。

首先,首先卸下测试部分的顶盖。通过测试部分底部的狭缝插入连接到气缸端口的管。然后,将气缸安装在转盘顶部,使其定向,使端口零朝向上游。

更换测试部分的顶盖,并将标记为零到 23 的 24 个压力管连接到压力计面板的相应端口。

正确连接所有管道后,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 个压力测量值。现在,将风速设定为零并关闭风洞。打开测试部分。

现在,通过在端口 3 和 4 之间垂直固定 1 毫米直径的串来修改气缸,这相当于 52.5°的 ta。在将字符串绑放到位时,请尽量保持字符串的笔直。在端口 20 和 21 之间磁带另一个字符串,该字符串等于 307.5°。这些琴弦会干扰气流。使用销刺穿蓝色胶带的孔,以便端口能够感应流量压力。

然后,关闭测试部分。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 个压力测量值。

完成后,将风速设定为零并关闭风洞。断开管与压力计的连接。然后打开测试部分并拆下气缸。

现在,让我们来解释结果。首先,我们可以使用自由流速度(每小时 60 英里)确定雷诺数。气缸的直径、粘度和自由流的密度是已知的。因此,雷诺数等于 1.78 x 105。

在此雷诺数下,我们可以预期如所示的流量模式,其中发生流量分离,导致气缸后面的湍流低压唤醒。此压差导致阻力。

现在,让我们来看看我们的实验数据,在本例中为干净的气缸。由于对称性,我们将只查看端口 1 到 12。Theta 是端口的角位置,P-gage 是压力计读数。

首先,计算每个端口的非维压力系数,其中 rho 无穷大和 V 无穷大分别是自由流密度和速度。对受干扰的气缸执行相同的计算。

如果我们绘制每个气缸的实验结果与理想相比,我们可以看到停滞点或 ta 等于零,压力系数是其最大值的清洁和扰动气缸。在 ta 等于 60° 之前,清洁和扰动的气缸与理想数据完全一致。

60° 后,它们偏离理想,因为它们在气缸背面形成一个低压区域。如果我们回顾预期流模式,我们可以看到,在流模式的后部区域,我们应该看到湍流涡流和涡流。这种现象与两个气缸测得的低压区域相当一致。

但是,在将串添加到气缸中时,两者之间会产生差异,其中清洁的油缸在唤醒过程中遇到比受干扰的气缸更低的压力区域。这是因为在流分离发生之前,扰动流量往往会更多地环绕气缸。边界层以层压开始,在扰动后立即过渡到湍流。

您可以看到,它绕在扰动的气缸上比清洁的气缸多,在流分离之前,圆柱体始终是层状的。由于受干扰的流量在后部具有较高的背压,因此其阻力应较低。让我们确认这个假设。

首先,计算阻力,FD,如使用每个压力端口的角度位置、与相邻端口的角距离、每个端口的量程压力和气缸半径所示。计算每个圆柱体的拖动后,我们可以计算每个圆柱体的非尺寸拖动系数 CD。

正如预期的那样,受干扰的气缸的阻力系数低于清洁油缸。这些结果也解释了为什么高尔夫球是凹陷的。酒窝导致湍流边界层流,从而降低阻力。

总之,我们了解了在不同雷诺数上观察到的特征流模式和向湍流的过渡。然后,我们让气瓶在风洞中交叉流动,并测量其表面的压力分布,以确定每个油缸上的阻力。

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