旋转圆盘表面摩擦应力测量

　　一、引言

　　离心式压缩机,涡轮机,水泵等流体机械,当叶轮旋转时,叶轮的外侧面与流体摩擦产生阻力,造成机械能损失,一般称为轮阻损失。因此,准确地确定叶轮外侧面上的摩擦应力是流体机械设计的重要一环。

　　目前有许多测量壁面摩擦应力的方法,激光多谱勒法、热线法及微型毕托管法。它们都是对近壁处流体速度分布进行测量,再利用牛顿流体剪切力正比于速度梯度这一特点来获得摩擦应力的数值。但该类方法测量复杂,成本高。另一类测量方法则是通过边界层内速度分布对设置在固体壁面附近的某种装置所产生的压力变化效应间接地测量壁面摩擦应力,其中有代表性的测量装置是Preston等。同激光和热线法相比,

　　Preston管在测量壁面摩擦应力时,具有方便、可靠、易操作及成本低等优点。

　　二、实验装置

　　实验装置的布置如图1所示。旋转圆盘用直径500mm,厚15mm的钢板制成,静止圆盘用直径为0.6m,厚12mm的有机玻璃制成。在静止盘上沿半径方向交错开了7个直径为10mm的测孔,测孔中心在半径位置上标有径向线和切向线,以便于Preston管定位。在与测孔对应的半径位置上,相应地开了7个直径为1mm的静压孔。旋转圆盘和静止圆盘之间的轴向间隙S,可通过移动固定静止盘的支架来调节。旋转圆盘由直流电机驱动,可以通过改变直流电机的励磁电阻来达到无级调速。风源由流量为5m3/s的风机供给,将风机的进口和出口分别与管道相联,可使旋转圆盘与静止盘之间的间隙内产生向心(Cq<0)或离心气体流动(Cq>0),风量大小由进风口阀门调节。Preston管固定在坐标架上,可沿轴向移动,同时也可沿周向转动。实验中应用的Preston管,头部制成扁平形,厚度为0.59mm。

　　三、摩擦应力的测量

　　Preston管实际上是贴在壁面上的一根总压管,它的测量依据就是壁面律成立。因此,Pre-ston管的直径要小,以便能伸入到边界层内测量总压。它的有效管心必须保持在对数律层范围内,在这一范围内可令

　　式中,Δp是Preston管所测总压与静压之差,d是Preston管的外径。由量纲分析得

　　式中,

　　关于f的具体形式,许多人通过实验进行了研究,目前认为Patel[2]的校正曲线与实验结果吻合较好。Patel的校正曲线由三段组成:

　　式中,x*,z*是Preston变量,定义如下:

　　在实际测量中,只要测出Δp就可以计算相应的壁面摩擦应力。具体步骤如下:

　　(a)由测得的Δp计算出x*

　　(b)由x*所在的范围求出z*