经典流体力学实验

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经典流体力学实验

实验流体力学与理论流体力学、计算流体力学构成流体力学的三大分支,实验流体力学包括实验空气动力学和实验液体动力学,涉及面几乎贯穿流体力学的各个领域。在流体力学理论的发展中,实验流体力学起着关键性的作用。一方面人们通过实验可以仔细、反复观测物理现象,以便揭示流动机理和发现流动规律;另一方面通过实验对物理量的直接测量,可为建立物理模型和理论提供重要依据。

公元前250年,阿基米德通过大量的实验研究,提出著名的流体力学浮力定理。意大利物理学家伽俐略第一个将实验方法引入力学研究中,1632年演示了在空气中物体运动所受到的阻力。

【航空微教材】经典流体力学实验意大利物理学家伽俐略(1564~1642年)

1643年意大利科学家托里拆利完成了大气压力测量实验,同时证明了恒定孔口出流的基本规律,提出孔口出流速度与水头值的平方根成正比。

【航空微教材】经典流体力学实验意大利科学家托里拆利(1608~1647年)

经典流体力学实验水压机原理

1653年法国科学家帕斯卡在实验的基础上提出流体静压力传递定理并制成水压机。

【航空微教材】经典流体力学实验法国科学家帕斯卡(1623~1662年)

1686年英国科学家牛顿完成了流体内摩擦定律,1687年用摆和垂直落球在水和空气中进行了绕流阻力实验。

【航空微教材】经典流体力学实验

萨克·牛顿(1643.1.4~1727.3.31)爵士,英国皇家学会会长,英国著名的物理学家

1732年法国工程师毕托(H. Pitot)发明了一种测量流体中总压的装置,即毕托管,后来1905年世界流体力学大师普朗特将其发展成为可同时测量流体总压和静压的装置,建立了普朗特风速管,也叫毕托管测速仪。

经典流体力学实验

经典流体力学实验

毕托测速管

1915年,英国力学家泰勒(G.I. Taylor)设计了用于测量流体压强分布的多管压力计(如图4所示)。

【航空微教材】经典流体力学实验泰勒,G.I.(Geoffrey Ingram Taylor 1886~1975)英国力学家

经典流体力学实验测压排

1799年意大利物理学家文丘里(G.B. Venturi,1746~1822年)通过对变截面管道实验,发现最小截面处的压强下降急剧,提出用于测量管道流体流量的收缩扩张型管道,即文丘里管(如图5所示)。

经典流体力学实验文丘里管

1872年英国学者弗汝德(WilliamFroude)在英国托尔圭给出计算船舶摩擦阻力的方法首次主持建造了尺寸85米X14米X4米的供船舶实验用的拖曳水池,精确测量了船模和平板的阻力,并将船舶阻力分别为表面阻力、行波阻力和漩涡阻力三部分。1839年德国学者汉根(Hagen)完成了圆管水流特性实验,1880年英国学者雷诺(Reynolds)进行了圆管流态转捩实验,1883年提出层流和湍流的概念。

经典流体力学实验雷诺(Osborne Reynolds 1842~1912)英国力学家、物理学家、工程师。

1904年普朗特(Prandtl)在大量实验观察的基础上,提出著名的边界层理论。著名的卡门涡街是指圆柱绕流后面存在的周期性脱落的旋涡结构

【航空微教材】经典流体力学实验路德维希·普朗特(1875.2.4~1953.8.15)德国物理学家,近代力学奠基人之一。

经典流体力学实验

经典流体力学实验

圆柱绕流卡门涡街试验

经典流体力学实验数值模拟得到的卡门涡街

【航空微教材】经典流体力学实验冯·卡门

1911年冯·卡门在哥廷根大学普朗特实验室做助教,当时普朗特的博士生哈依门兹(Karl Hiemenz )研制了一个水槽,并进行圆柱绕流实验,用以核对边界层的分裂点。为此,必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。哈依门兹进行实验时出乎意外地发现,在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。这时冯·卡门想,如果水流始终在摆动,这个现象一定会有内在的客观原因。冯·卡门用粗略的运算方法,试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动,其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置,看看计算出来会有什么样的结果。冯·卡门得到的结论是:如果是对称的排列,那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远;而对于反对称的排列,虽然也得到同样的结果,但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值时,这涡旋却停留在它原来位置的附近,并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。冯·卡门针对哈依门兹的水槽实验,通过理论分析证实了涡街的存在。后人因冯·卡门对其机理详细而又成功的研究,将它冠上了卡门的姓氏,称为卡门涡街。冯·卡门自己后来在书中写道:“我并不宣称,这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前,大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一张图画。图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在Christopher的赤脚后面,画上了交错的涡旋。

又如历史上著名的Rayleigh-Bénard 现象(如图7所示),是一个得到广泛研究的热对流现象,也被认为是研究湍流问题的几个简单的系统模型之一。在 1900 年,Bénard第一次做了上表面为自由面的薄水平液层的相关实验,研究对液体薄层的底部进行加热所产生的对流现象。在这个实验里,他观察了对流结构,而且给出的结构是比较规则的六边形。Bénard 的实验结果引起了研究者们的广泛注意,为了解释这一现象,Rayleigh在 1916 年第一次分析了这个问题,并且提出了一个无量刚参数,用以研究并判别底部受热流体流动的稳定性,从而给出了一个理论方法。而且这种方法也被作为现代研究热对流的基础。从那之后的一个多世纪,Rayleigh-Bénard 对流结构就引起了很多研究者的兴趣,尤其是在基本的结构特征及其不稳定性方面。在 Rayleigh-Bénard 对流实验中,使用的是一个透明容器,上下底板相距为H,而且底板具有很好的导热性能;里面充满了液体,但是大多实验用的是水。在这个实验里,上下底板的温度是保持稳定的,并且上底板的温度是低于下底板的,而且温度差恒定为T。当T比较小时,即上下底板的温度差比较小,这时系统内液体是处于不流通的状态。但是,由于液体存在热胀冷缩效应,接近下底板的液体由于温度升高致使密度降低,小于上面液体的。由于液体自身存在重力,导致容器内上面密度大的液体存在向下流动的一种趋势。随着上下底板温度差的继续增大,上下层液体密度差也随着变大。当温度差到达临界值时,液体的重力克服了液体的黏性扩散作用,刚开始处于稳定性的液体便会发生改变,使得液体在容器内产生了对流流动。

作者简介

刘沛清,男,1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位,1995年在清华大学获博士学位。1997年至今,在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今,任教育部流体力学重点实验室责任教授,博士生指导教师。2003年至2012年,任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事,中国力学学会流动显示委员会副主任委员,全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人,国家级航空航天实验教学示范中心主任,空气动力学学报编委。


 

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