空气动力学实验的实验原理

Answer 1

流体动力学的规律甚广，并且还在不断发展中，但测量流体的流速、流量以及依此组成的各类测量仪器，乃至机翼高速运行时产生的升力、火箭喷射时产生的推力等等，都遵循着流体动力学的两个基本定律。
● 连续性方程
如忽略流体的压缩因素，流体在封闭性管道中作稳恒流动时，在单位时间内流进某截面（ ）的流体质量必等于在另一截面（ ）流出的流体质量（即流量相等），即
● 伯努利方程
在稳恒流动中，流体在封闭管道中任一点的压强遵循伯努利方程 皮托管是用来测量运动流体内任一点流速的仪器，其结构如下图所示。皮托管由两根流管组成，中心管道的头部开孔，用以测量来流的总压力 ，外围管道则在侧壁开有
皮托管测速原理图
若干小孔，用以测量该处的静压力 。两管的尾部分别用软管与斜管液体气压计相连，作为总压力和静压力的测试接头。根据伯努利方程，流速由总压和静压之差即动压计算。 ● 文丘里管
文丘里管是由渐缩管、喉管和渐扩管组成（如下图所示）。渐缩管的断面急速变小，渐扩管的断面逐渐增大，恢复到原来的断面，断面最小段为喉管。文丘里管可以进行连续性方程和伯努利方程的验证。
文丘里管
根据连续性方程和伯努利方程，流管各处气流的流速与压强之间有如下关系
显然，文丘里管咽喉处的流速最大，而压力最小。
● 文丘里流量计
文丘里流量计也是根据伯努利方程设计的测量管道中流体流量的仪表。流量公式为
式中， 与 分别为主管和喉管处的压强； 与 分别为主管和喉管的截面积； 为文丘里流量计的流量系数。 下图所示为流线型机翼在大气中飞行过程中产生升力的示意图。
模型机翼升力产生示意图
当机翼向上昂起（攻角α>0）时（翼弦与水平面的交角，称为攻角、飞行角），机翼的上方流线较密，流速快；而机翼下方流线则较为平坦（近于大气压），流速慢，则
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根据伯努利方程，必然有
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由此产生升力。机翼在飞行中不但受到与运动方向垂直的升力 ，又受到与速度方向相反的阻力 （升力与阻力的合力为 ）。