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实验一边界层流动测量实验

摘要：边界层，又称为流动边界、附面层，它是流体流动过程中，紧贴壁面的粘性阻力不可

忽略的一层薄薄的流体，它对主要流体运动的影响很大。自普朗特提出该概念起，边界层研

究就一直是流体力学研究中一个焦点和难点课题。本实验通过热线风速仪测量距离凹口平板

前缘不同位置点流体的速度分布情况，并对实验数据加以分析处理，从而确定出在不同工况

中的边界层的厚度、位移厚度，以及避免粘性力等参数，最终分析边界层的特性。

关键词：边界层，热线风速仪，粘性力，雷诺数，拟合，标定

1.实验简介

此次实验是在一个开口式风洞中进行的，该风洞试验段截面尺寸为：500mm*500mm。

设置风洞风机的运行频率为20Hz和30Hz、，利用热线风速仪测量凹槽分离点20mm的边界

层上的速度分布。然后用两种不同的方法拟合热线风速仪实验前后标定曲线，得出标定误差

值，从而分析比较这两种拟合方法的优缺点，并分析出实验中热线性能的稳定性。

2.实验步骤

1)将皮托管固定在风洞试验段，轴线和来流速度方向平行。记录皮托管标定系数k。皮托

管静压连接到压力传感器负压接口，皮托管总压连接到压力传感器通道1；

2)热线风速仪探头安装在二位坐标架上，连接热线探头与恒温控制器输入、输出。此时热

线恒温控制器切勿通电！将热线探头移至和皮托管同一高度；

3)热线输出连接到数据采集卡AI0，皮托管输出连接到数据采集卡AI1；

4)将热线恒温控制器通电，打开MATLAB热线风速仪标定程序“hwcalibration.m”，改

变文件名运行程序；

5)将热线移动至测量点（距离凹腔分离点X=20mm）上方自由来流中，调整风洞风速，

风机运行频率f=30Hz,MATLAB运行热线速度分布测量程序“hwmeasurement.m”改变

文件存储名称。改变风洞风速，风机运行频率f=20Hz,重复步骤4；

6)打开MATLAB热线风速仪标定程序’hwcalibration.m’，改变标定参数存储文件名，

重新运行标定程序。

7)按要求处理实验数据。

3.实验设备

1)开口式风洞，实验段截面500mm*500mm。实验段风洞壁面装有凹腔模型，测量模型分

离点上游边界层速度分布。

2)程控二位坐标架：计算机软件可精确控制探针在边界层内移动。

3)压力传感器：将压力信号转化为电信号，灵敏度为0.0245V/mm.

4)皮托管：测量来流静压P和总压P，用于测量来流速度U和标定热线风速仪。

st

5)热线风速仪：测量气体流场（尤其是湍流场）中速度大小，具有较高的频率响应（10kHz）。

6)数据采集卡：NI-USB6212BNC（16位，8差分通道）；

7)计算机：控制二维坐标架，控制和执行数据采集；

其中，热线风速仪的工作原理如下：

热线风速仪前段的热线探头作为后端控制电路中电桥的一个桥端电阻。电桥工作时把探

头上的电阻丝加热，当流体以速度U流过探头时带走一部分热量Q电桥设计是为了保持探

头热丝温度恒定，探头热丝损失热量Q后，两端电压E发生变化从而提供相应的热量以弥

补损失掉的那部分热量，最终保证探头热丝的温度恒定。通过标准速度源可以将速度U与

电桥电压E之间的关系拟合出来。这样在测量时，只要测量到电桥电压E，就可以知道当地

风速U。

热线风速仪的标定：

用风洞自由来流速度作为标准速度，自由来流速度U由皮托管测量得到。拟合关系式

用：

1）King’sLaw：EABUn,n0.45；

2）UABECE2DE3FE4。

4.实验数据处理

1)分别用两种不同方法拟合热线风速仪实验前后标定曲线，给出标定误差值，分析拟合方

法优缺点。将实验前后热线风速仪标定曲线画在同一张图上，将实验后热线标定加上温

度矫正和前面两组曲线画在同一张图上，分析实验中热线性能是否稳定及温度矫正的作

用。

表4-1实验前标定时采集的数据

流速/U电压/E