流體力學綜合實驗裝置簡圖

⑴ 風洞實驗的分類

流體力學方面的風洞實驗的主要分類有測力實驗、測壓實驗、傳熱實驗、動態模型實驗和流態觀測實驗等。測力和測壓實驗是測定作用於模型或模型部件（如飛行器模型中的一個機翼等）的氣動力及表面壓強分布，多用於為飛行器設計提供氣動特性數據。傳熱實驗主要用於研究超聲速或高超聲速飛行器上的氣動加熱現象。動態模型實驗包括顫振、抖振和動穩定性實驗等 ，要求模型除滿足幾何相似外還能模擬實物的結構剛度、質量分布和變形。流態觀測實驗廣泛用於研究流動的基本現象和機理。高速計算機在在以上風洞實驗中的應用極大地提高了實驗的自動化、高效率和高精度的水平。 測力實驗是利用風洞天平（見風洞測試儀器）測量作用在模型上的空氣動力和力矩的風洞實驗。它是風洞實驗中最重要的實驗項目之一。測力實驗主要有：全模型和部件的縱向和橫向測力實驗、噴流實驗、靜氣動彈性實驗、外掛物測力和投放軌跡實驗等。
全模型和部件的縱向和橫向測力實驗是測量沿模型上三個互相垂直軸的力和繞三個軸的力矩的實驗，其中無測滑的實驗為縱向實驗，有測滑的為橫向實驗。模型由腹部支桿或尾支桿支撐於風洞中（圖1和圖2）。
為研究各部件的貢獻和干擾，除採用全模和部件組拆實驗外，更精確的方法是在模型內安裝多台天平，同時測量全機和部件的氣動力。對於有對稱面的飛行器，在繞流對稱的條件下，可以洞壁或反射平板為對稱面，取模型的一半做實驗。這種實驗稱為半模實驗，其優點是模型可做得大些，雷諾數可以高些，無尾支桿干擾，製造方便和經濟。缺點是存在洞壁邊界層和縫隙的影響以及僅能進行縱向實驗。噴流實驗是測量飛行器發動機噴流對飛行器機體氣動特性影響的實驗。在風洞中要精確模擬噴流是很困難的。除模擬自由流馬赫數Mα∞、比熱比γ和噴管幾何形狀外，還要模擬出口與自由流靜壓比pj/p∞、出口馬赫數Mαj、噴流比熱比γ1、普適氣體常數與熱力學溫度乘積比(RT)j/(RT)∞等相似參數。通常只能有選擇地模擬其中一些項目，例如，一般當噴口處於飛行器底部時，可用冷空氣模擬噴流。當噴口處於飛行器底部上游時，還應模擬γ1和(RT)j/(RT)∞。火箭發動機噴流模擬以用縮尺火箭發動機為宜。噴流實驗的關鍵在於研製高精度天平、小干擾的支架和不傳力的輸氣密封系統。
靜氣動彈性實驗是測量模型剛度對氣動特性影響的實驗。通常風洞實驗中的模型都是用強度和剛度較大的金屬製作的，而真實飛行器的剛度比模型低得多。因此，需製造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛行器各部件彎曲和扭轉剛度的彈性模型，把它放在風洞中作模擬飛行條件的高動壓實驗，測量對模型剛度的影響，修正剛體模型實驗的數據。
外掛物測力和投放軌跡實驗是測量飛行器外掛油箱、炸彈或其他物體的氣動力和外掛物投放軌跡的實驗。由於風洞尺寸的限制，風洞中外掛物模型很小，測量很困難。早期的實驗是設計專門的外掛物天平。天平可以放在外掛物模型或者它的掛架內直接測量。外掛物投放軌跡是用高速攝影或多次曝光技術對自由投放的模型進行照相記錄。圖3是在低速風洞中用多次曝光法拍攝的外掛物投放軌跡照片。這種方法簡便、直觀，但要模擬弗勞德數，所以模型設計和調整很困難。20世紀60年代以來，發展出一種雙天平測量系統，母機模型和外掛物分別支撐在各自的天平上。實驗時首先測量外掛物和母機的氣動力，輸入計算機，由運動方程和給定的時間間隔算出外掛物在氣動力作用下運動的下一個位置，然後操縱外掛物運動到計算位置再進行測量。一直到所要求的軌跡測出為止。這時，母機和外掛物所有瞬間的氣動力也同時測出。這種方法不要求模型動力相似，模型可多次使用。同時，這套裝置也可以用於其他雙體實驗或大攻角失速後運動軌跡測量等。缺點是精度要求較高，製造費用大。
除上述實驗外，還有一些專門的測力實驗，如鉸鏈力矩測量、摩阻測量、進氣道阻力測量、馬格納斯力和力矩（見馬格納斯效應）測量等，這些都要有專門設計的天平。
測壓實驗 風洞洞壁、模型表面上各點和氣流中各點的當地壓力參數測量。對應於流場的每一點，有一個總壓p0和一個靜壓p∞。總壓是假想氣流等熵絕熱地滯止，最後流速降為零時所能達到的壓力。靜壓是氣流內部相互作用的流層之間的法向力。在不可壓縮流體中，總壓和靜壓之差，即該流動點上由於氣流動力效應引起的壓力增高（p0－p∞），稱為動壓或速壓q∞。氣流壓力的測量，是空氣動力實驗中最基本的測量項目之一。
1738年，丹尼爾第一·伯努利就確立了無粘性不可壓縮流體中壓力與速度之間的關系，後稱為伯努利定理。這個定理後來被推廣到可壓縮流體。因為測量氣流壓力比較容易，故風洞實驗中常藉助測量氣流的壓力來推求速度。
物體表面某一點（如第i點）的壓力pi，常以無量綱形式的壓力系數Cρii表示。如果p∞和q∞分別代表遠前方未擾動氣流的靜壓和動壓，則Cρii是該點的剩餘壓力（pi－q∞）與動壓q∞之比。
風洞中最常見的測壓實驗是模型表面壓力分布測量。模型表面上直接開有測壓孔。通過實驗，可以了解局部流動特性並積分出總的氣動特性。常見的有飛行器測壓、汽車測壓和建築物測壓等。進氣道測壓實驗是通過進氣道表面測壓孔和管道內排管的壓力測量，以得到進氣道的流量- 總壓恢復特性。風洞流場校測中速度場、壓力場、方向場的測量也是通過測壓進行的。此外，邊界層壓力測量也是經常進行的實驗項目。有時還通過二元物體尾流壓力測量來推算物體的阻力。所以風洞測壓實驗在工程設計和研究工作中得到廣泛應用。
風洞中氣流總壓、靜壓測量用總壓、靜壓探測管和壓力計或壓力感測器。圖4和圖5示出一般總壓管和靜壓管的結構。總壓或靜壓排管可同時獲得許多測壓數據。但管與管之間的相互影響要小。模型表面壓力測量孔要求垂直當地物面，孔緣處平滑不得有毛刺。靜壓探測管上靜壓孔位置的選擇特別重要，應使它受靜壓管頭部和支柄的綜合影響最小。測壓設備中壓力傳輸的管路不能太長，否則管內壓力達到平衡要用很長時間。 在氣流和模型作相對高速運動的條件下，測定氣流沿模型繞流所引起的對模型表面氣動加熱的一種實驗。當飛行器飛行馬赫數大於3時，必須考慮氣動加熱對飛行器外形、表面粗糙度和結構的影響。風洞傳熱實驗的目的是為飛行器防熱設計提供可靠的熱環境數據，實驗項目包括：光滑和粗糙表面的熱流實驗，邊界層過渡、質量注入對熱流影響的實驗，台階、縫隙、激波和邊界層等分離流熱流實驗等。在風洞傳熱實驗中一般略去熱輻射，只考慮對流加熱，要模擬的是馬赫數、雷諾數、壁溫比、相對粗糙度（粗糙度與邊界層位移厚度之比）、質量注入率、自由湍流度等參數。在一般高超聲速風洞、脈沖風洞、激波風洞、電弧加熱器、低密度風洞和彈道靶中都能進行傳熱實驗，但都不能全面模擬上述參數。因此，必須對不同設備的實驗數據進行綜合分析。風洞傳熱實驗的方法有兩類：一類是確定熱流密度分布的熱測繪技術，如在模型表面塗以相變材料，通過記錄等溫線隨時間的擴展過程進行熱測繪；又如在模型表面塗以漆和粉末磷光材料的混合物，通過記錄磷光體的亮度分布轉求熱流密度分布（後一方法響應快，靈敏度高）。熱測繪技術可以提供豐富的氣動加熱資料，但精度較低。另一類是熱測量技術，利用量熱計進行分散點的熱測量，一般是在一維熱傳導的假定下通過測量溫度隨時間的變化率測量熱流密度。在一般高超聲速風洞中常用的量熱計有兩種：①薄壁量熱計，使用它時要求模型的壁做得很薄，以使模型在受熱時，內外表面的溫度接近相等，在內表面安裝溫差電偶，用以測量溫度隨時間的變化來推算熱流密度。②加登計，是R.加登在1953年提出的，它是基於受熱元件的中心和邊緣之間的溫度梯度和熱流密度有一定的關系進行測量的。薄壁量熱計和加登計由於達到溫度平衡需要較長的時間，不能用於脈沖風洞。在脈沖風洞中，可採用塞形量熱計和薄膜電阻溫度計進行測量。塞形量熱計是利用量熱元件吸收傳入其中的熱量，然後測量元件的平均溫度變化率再計算表面熱流密度。
風洞傳熱實驗必須恰當地解決模型設計、防護、冷卻和信號傳輸等問題，還要研究模擬技術，縮小感測器尺寸，解決感測器的穩定性問題，以及確定實驗中各種不確定因素對實驗結果精度的影響。 確定模型對氣流的相對運動和模型上的氣動力隨時間變化的實驗，包括顫振實驗、抖振實驗、動穩定性實驗、操縱面嗡鳴實驗、非定常壓力測量等。
顫振實驗 顫振是飛行器在氣動力、結構彈性力和慣性力相互作用下從氣流中吸取能量而引起的自激振動。它一旦發生，就很可能造成結構的破壞。進行風洞顫振試驗，旨在選擇對防顫振有利的結構方案（見顫振試驗）。
抖振實驗 抖振是氣流分離所激起的飛行器結構振動。作低速大攻角飛行時，舉力面上氣流分離達一定程度後就會出現抖振，這類抖振稱為舉力型抖振。作跨聲速飛行時由於激波的誘導作用，使抖振起始攻角明顯減小。此外，還有由於氣流分離造成的非舉力型抖振。抖振影響飛機的結構強度和疲勞壽命，會使武器系統和電子儀器的工作不正常，使乘員不舒適。抖振起始攻角所對應的舉力系數（見舉力）隨馬赫數的變化曲線，稱為抖振邊界。抖振邊界越高，飛機的最小平飛速度越低，飛行中的機動性和安全性越好。抖振實驗是要測定抖振邊界和抖振載荷。測定抖振邊界可採用方均根彎矩法和後緣靜壓發散法等。所謂方均根彎矩法，就是在模型翼根粘貼應變片，測定某一馬赫數不同攻角下與翼根彎矩成比例的方均根電平值，將電平值開始急劇增大的轉變點所對應的攻角確定為抖振起始攻角的方法。所謂後緣靜壓發散法，就是利用氣流分離後翼面後緣靜壓迅速增加的原理來進行測量的方法。除要求模型與實物保持氣動力相似外，還要求模擬一階彎曲頻率。抖振實驗對風洞雜訊級、湍流度以及模型表面的邊界層狀態都有較嚴格的要求。
動穩定性實驗 測定動導數的實驗。動導數是氣動力和力矩對運動參量時間變化率的導數，例如是滾轉力矩mx對滾轉角速度ωx的導數，通常起阻尼作用，又稱滾轉阻尼導數。動導數實驗一般採用剛性模型，除氣動力相似外，還要求減縮頻率ωL/v與實物相同，其中ω為振動頻率；L為特徵長度；v為氣流速度。在風洞中測量動導數一般採用自由振動法或受迫振動法。自由振動法是給模型以一定的初始位移後把它釋放出去，使它在氣流中作自由衰減振動，根據所記錄的模型位移時間歷程來確定動導數。此法設備簡單，但受風洞背景雜訊等外界干擾影響較大，准確度不高。受迫振動法是對模型系統施加一定頻率的正弦激振力矩，在此過程中，通過測量儀器，測定它的激振力矩和模型振動角位移之間的相位差，從而確定動導數。此外，還可以用風洞模型自由飛的方法測量動導數。
操縱面嗡鳴實驗 操縱面嗡鳴是飛行器作跨聲速飛行時由於翼面上的激波、波後的邊界層分離和操縱面偏轉的相互作用而產生的單自由度不穩定運動。操縱面嗡鳴對馬赫數很敏感。發生嗡鳴會降低操縱效率甚至使操縱失效，嚴重時將導致結構的疲勞破壞。通過嗡鳴實驗，可以確定飛行器操縱面振動的性質，提供排除振動的方法和確定剛度指標。嗡鳴實驗模型由剛性主翼和操縱面組成，可用彈簧片模擬操縱系統剛度。操縱系統結構阻尼應大致和實物相當。實驗時用應變測量系統測定振動波形，也可用方均根電平記錄儀測量振動強度。
非定常壓力測量 這種測量是研究非定常氣動力的基本手段。測量方法有兩種：一種是用埋在模型里的微型壓力感測器同時測量許多點的非定常壓力；另一種是在模型里安置許多壓力管，通過壓力管測量非定常壓力，而壓力管則通過掃描閥與感測器相連。採用後一種方法，必須作吹風狀態下管路動態傳遞特性的修正。
在動態實驗中，風洞背景雜訊對實驗結果的准確度有很大的影響，因此，除對風洞的雜訊級作出限制外，還必須在實驗技術上減小風洞雜訊的影響，如在數據處理中，採用相關濾波、總體平均等方法。配備能進行快速傅里葉變換的動態分析設備，可以明顯提高動態實驗的能力，實現實時分析。
流態觀察實驗 藉助物理和化學的手段使風洞中無色透明的氣流成為可見氣流的實驗方法。利用這種技術能夠用肉眼或其他輔助手段直接觀察到氣體流動的物理圖像，從而加深對氣體流動機理的了解並及時發現氣體流動中存在的問題。還可以用觀察的結果驗證一些理論、假說並幫助建立復雜流動問題的數學模型。這種技術是空氣動力實驗的一種基該方法。
自然界中存在著許多能顯示流體流動的現象。水面飄浮物體的運動往往表明水流方向；生火時產生的煙則顯示了熱空氣上升和擴散的圖形。在實驗室內用流態顯示技術進行科學研究始於19世紀末。1883年O.雷諾把一股染色水引入管流中，根據染色水是色彩清晰的規則流動還是紊亂流動來判別管中流動是層流還是湍流。1893年，L.馬赫在風洞中用絲線和煙流觀察了氣流繞垂直安放的一塊平板流動的情況。隨著風洞的發展和科學技術的進步，流態觀察方法也越來越多。
風洞中流態觀察方法大致為分兩類：第一類是示蹤方法；第二類是光學方法。
示蹤方法
是在流場中添加物質，如有色液體、煙、絲線和固體粒子等，通過照相或肉眼觀察添加物隨流體運動的圖形。只要添加物足夠小，而且比重和流動介質接近，顯示出來的添加物運動的圖形就表示出氣流的運動。這是一種間接顯示法，特別適合於顯示定常流動。常用的有絲線法、煙流法、油流法、升華法、蒸汽屏法和液晶顯示法等六種：
①絲線法將絲線、羊毛等纖維粘貼在要觀察的模型表面或模型後的網格上，由絲線的運動（絲線轉動、抖動或倒轉） 可以判明氣流的方向和分離區的位置以及空間渦的位置、轉向等。圖6為一個模型實驗時機翼的絲線顯示氣體流動圖。現在又發展到用比絲線更細的尼龍絲，有時細到連肉眼都看不清。將尼龍絲用熒光染料處理後再粘在模型上。這種絲線在紫外線照射下顯示出來，並且可以拍攝下來。粘絲很細，對模型沒有影響，可同時進行測力實驗。此法稱為熒光絲線法。
②煙流法用風洞中特製煙管或模型上放出的煙流顯示氣體繞模型的流動圖形。這是一種很好的觀測方法。世界各國建設了不少煙風洞。通常是在風洞外把不易點燃的礦物油用金屬絲通電加熱而產生的煙引入風洞；也有將塗有油的不銹鋼或鎢絲放在模型前，實驗時通電將鎢絲加熱，產生細密的煙霧。為了保證煙束清晰不散，必須採用大收縮比的收縮段、穩定段或風洞入口加裝抗湍流網和採用吸振性能好的材料製造洞壁等措施，保持煙流為層流狀態。煙流法除用於觀察繞模型的流動，還可用來測量邊界層過渡點位置和研究渦流結構。圖7為模型煙流實驗中拍攝的照片。
③油流法在粘性的油中摻進適量指示劑（如炭黑）並滴入油酸，配製成糊狀液態物，均勻地塗在模型表面。實驗時通過指示劑顆粒沿流向形成的紋理結構，顯示出模型表面的流動圖形。如果油中加入少量熒光染料，則在紫外線照射下可以顯現出熒光條紋圖，稱為熒光油流圖。它可以顯示模型表面氣流流動方向、邊界層過渡點位置、氣流分離區、激波與邊界層相互干擾等流動現象。圖8為模型油流實驗照片。
④升華法將揮發性的液體或容易升華的固體噴塗在模型表面，依據塗料從模型上散失的速度與邊界層狀態有關的原理（在湍流邊界層內由於氣流的不規則運動導致該處蒸發量或升華量大於層流處）來區分邊界層狀態，確定過渡點的位置。
⑤蒸汽屏法在風洞中形成過飽和的蒸汽，在需要觀察的截面，垂直氣流方向射入一道平行光，氣流經過光面時，由於離心力的作用，旋渦內外蒸汽的含量是不同的，光的折射率因此不同，便能顯示出渦核的位置。此法多用來觀察大攻角脫體渦的位置。
⑥液晶顯示法利用液晶顏色隨溫度而改變的特性來識別層流、湍流邊界層和激波。液晶是一種油狀有機物，溫度較低時，無色透明，隨著溫度上升，便以紅、黃、綠、藍、無色的順序改變，能鑒別有微小溫差的層流和湍流邊界層流動以及激波前後的溫差。它適用於高速和超聲速流態觀察。液晶的塗法與漆類似，先稀釋，再噴塗。液晶對污物雜質敏感，噴塗時，模型表面必須干凈。 根據光束在氣體中的折射率隨氣流密度不同而改變的原理製造出來的光學儀器，如陰影儀、紋影儀、干涉儀（見風洞測試儀器）和全息照相裝置等，都可用來觀察氣體流動圖形。這種方法不在流場中添加其他物質，不會干擾氣體流動，而且可以在短時間內採集大量的空間數據。它是一種直接顯示方法，特別適合於觀察可壓縮流動和非定常流動，如激波、尾流和邊界層過渡等。
除了以上兩大類方法外，還有一種向流場中注入能量的方法。如在低密度風洞中向氣流發射電子束，使氣體分子激發出熒光，熒光的光通量與氣流密度大小有關。根據光通量的變化，就可以顯示出氣流密度的變化，這種方法可以顯示高超聲速稀薄氣體流動的激波位置和形狀以及用於定量測量流場密度。
70年代後期，發展出一種彩色照相圖示流態觀察技術。它用總壓探管在所測流場區域掃描，並將感受的壓力轉換成電壓值。根據不同的電壓觸發不同顏色的光，在照相機上曝光。通過多種顏色信號光記錄的流場等壓線圖，可以清晰地看到渦旋分布和飛機模型後的渦流圖像。這項技術最近發展成為直接把感測器感受的壓力信號記錄在磁帶上，並輸入計算機處理。感測器探頭可以用壓力探頭也可以用熱絲或熱膜或其他探頭。處理後的數據可由彩色電視顯示。因為不用照相裝置，而代之以計算機，這就帶來了很大的方便：可以一次處理很多數據（可以是一個也可以是好幾個探頭感受的數據）；顯示的顏色可多達4096種（但由於人眼解析度的限制，常用的也只有20～30種）；對於特別有興趣的區域可以放大和增加顏色詳細顯示；此外，還可以根據需要，旋轉顯示的數據平面，以得到從不同角度觀察的流場彩色顯示圖像。例如，可以在垂直風洞軸線的平面觀察，也可以在平行風洞軸線的平面或其他任意平面觀察。高解析度的彩色電視屏幕可以用顏色和箭頭表示流動方向。

⑵ 流體力學的研究方法有哪些各有何特點

進行流體力學的研究可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面：現場觀測現場觀測是對自然界固有的流動現象或已有工程的全尺寸流動現象，利用各種儀器進行系統觀測，從而總結出流體運動的規律，並藉以預測流動現象的演變。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。實驗模擬不過現場流動現象的發生往往不能控制，發生條件幾乎不可能完全重復出現，影響到對流動現象和規律的研究；現場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現象能在可以控制的條件下出現，以便於觀察和研究。同物理學、化學等學科一樣，流體力學離不開實驗，尤其是對新的流體運動現象的研究。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助於形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學發展史中每一項重大進展都離不開實驗。理論分析理論分析是根據流體運動的普遍規律如質量守恆、動量守恆、能量守恆等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發生的結果。理論分析的步驟大致如下：首先是建立「力學模型」，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾並抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的「力學模型」。流體力學中最常用的基本模型有：連續介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。數值計算其次是針對流體運動的特點，用數學語言將質量守恆、動量守恆、能量守恆等定律表達出來，從而得到連續性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯系流動參量的關系式(例如狀態方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。求出方程組的解後，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的准確程度和力學模型的適用范圍。從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數學問題，所以流體力學的發展是以數學的發展為前提。反過來，那些經過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論，又檢驗和豐富了數學理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進行數學研究、發展數學理論的好課題。在流體力學理論中，用簡化流體物理性質的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變數和減少未知函數等方法來簡化數學問題，在一定的范圍是成功的，並解決了許多實際問題。對於一個特定領域，考慮具體的物理性質和運動的具體環境後，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數學上的困難，進一步深入地研究流體的平衡和運動性質。20世紀50年代開始，在設計攜帶人造衛星上天的火箭發動機時，配合實驗所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導設計的流體力學結論。此外，流體力學中還經常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中採用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(壓力、密度、流體質點速度)同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機翼理論等雖然由於簡化而有些粗略，但都是比較好地採用了小擾動方法的例子。每種合理的簡化都有其力學成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化後得出的規律或結論，全面並充分認識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡單的情形或簡化後的歐拉方程或N-S方程進行計算。20世紀30～40年代，對於復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。數學的發展，計算機的不斷進步，以及流體力學各種計算方法的發明，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數值解的可能性，這又促進了流體力學計算方法的發展，並形成了「計算流體力學」。從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動的課題中，經常採用電子計算機做數值模擬，這可以和物理實驗相輔相成。數值模擬和實驗模擬相互配合，使科學技術的研究和工程設計的速度加快，並節省開支。綜合方法解決流體力學問題時，現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯系的現象和實驗數據中得出規律性的結論。反之，理論分析和數值計算也要依靠現場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數據，以建立流動的力學模型和數學模式；最後，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復雜(例如湍流)，理論分析和數值計算會遇到巨大的數學和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過現場觀測和實驗室模擬進行研究。

⑶ 船舶輪機工程(陸上)應學什麼知識

首先，學習大學都學的基本課程像高數、線代、物理、計算機語言和基礎、概率、英語、政經、馬哲等
然後就是專業基礎課：船舶概論、現代輪機工程概論、工程熱力學、傳熱學、流體力學、理論力學、材料力學、機械設計基礎、工程圖學、工程材料與機械製造基礎、機械原理科技英語、電路與電子技術、自動控制基礎、計算機制圖等
主要實踐性教學環節：包括機械工程基礎實習、電工電子實驗、機械設計綜合訓練、熱能動力基礎實驗等
主要專業實驗：金工實驗、柴油機拆裝實驗、輪機模擬實驗等
還有些專業課程：船舶柴油機、船舶電氣設備及系統、船舶動力裝置、船舶輔機、輪機修造技術、船舶結構與推進等

⑷ 流體力學研究方法

在研究流體力學的過程中，主要採用四種方法：現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算。

現場觀測是通過在自然環境或實際工程中系統觀測流體運動，獲取數據以總結規律和預測。例如，天氣預報就是早期現場觀測的應用。然而，現場觀測受限於難以控制的條件和高昂的成本，促使科學家們轉向實驗室，創造可控的環境進行研究。

實驗在流體力學中至關重要，特別是對新現象的研究，能直觀展示運動特點和檢驗理論。模型實驗通過縮小或放大研究對象，解決理論計算難以解決或成本過高的問題，提供原型數據。

實驗室模擬則可以對未出現或設計中的事物進行觀察，如工程設計，有助於改進和創新。理論分析則基於普遍的流體運動規律，如質量、動量和能量守恆，通過數學分析揭示流動本質，預測結果。

數值計算在現代流體力學中扮演關鍵角色，通過連續性方程、動量方程等，結合狀態方程和其他相關方程，形成復雜的方程組。這些計算需依賴數學進步，同時也推動了數學理論的發展。

簡化方法在理論模型建立中發揮了作用，例如一維定常流簡化在火箭發動機設計中的應用。但簡化也有其局限性，需根據具體問題選擇合適的簡化策略和理解其適用范圍。

隨著計算機的發展，計算流體力學的興起，使得解決復雜問題成為可能，數值模擬與實驗模擬相結合，極大地推動了科學技術研究和工程設計的進展。

綜合來看，現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算四者相輔相成，共同促進流體力學問題的解決，尤其在處理實際流動的復雜性，如湍流，時顯得尤為必要。

流體力學，是研究流體(液體和氣體)的力學運動規律及其應用的學科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態之間的相互作用的力學分支。流體力學是力學的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止狀態和運動狀態，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規律。在生活、環保、科學技術及工程中具有重要的應用價值。

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DF-DX12電工電子綜合實驗台，集多功能於一體，提供全面的電子技術實驗體驗。DF-MDZ701和DF-SDZ701分別是模擬電路和數字電路實驗箱，幫助學生掌握電路理論。DF-GPDZ701則聚焦高頻電子技術，DF-PLC701則是可編程式控制制器實驗箱，提升邏輯思維能力。

DF-DGDZ702是針對電工電子技術的全面裝置，電子電工實驗箱也提供全面的基礎實驗體驗。DF-KC05A單片機存儲器可編程綜合實驗裝置，DF-BPT055A變頻調速器實訓裝置，DF-PL05C單片機綜合實驗室實訓，DF-DPJ05B單片機應用技術實驗，涵蓋了微控制器應用的廣泛領域。DF-GQZ05工業自動化綜合實驗室實訓裝置，讓學生熟悉工業自動化技術。

在機動車駕駛教育方面，公司提供機動車駕駛人員場路考系統，包括場內道路駕駛考試系統路考儀，電子智能紅外線樁考儀，電腦萬能變庫樁考儀，以及汽車駕駛模擬系統和汽車電路學生實習台，幫助學員提升駕駛技能。

透明整台汽車及部件總成模型，讓學生直觀理解汽車構造，而汽車程式控制示教板則讓學生在實踐中掌握汽車控制技術。製冷、制熱與空調系統實驗室成套設備，包括中央空調設備和熱工類教學設備，適合學習暖通空調技術。流體力學類教學設備用於教學物理流體動力學，制圖實驗室成套設備則在圖形繪制和解析中發揮作用。財會模擬實驗室成套設備則是財務實訓的理想選擇。

東方教具（上海東方教具有限公司）創建於1993年，總部設在國際大都市上海，是專業從事現代教學設備以研究開發、生產、銷售、安裝、維護為一體的高科技企業，是中國最大的教具生產廠家之一。

⑹ 氣體粘度怎麼測

當液體內各部分之間有相對運動時，接觸面之間存在內摩擦力，阻礙液體的相對運動，這種性質稱為液體的粘滯性，液體的內摩擦力稱為粘滯力。粘滯力的大小與接觸面面積以及接觸面處的速度梯度成正比，比例系數η稱為粘度（或粘滯系數）。
對液體粘滯性的研究在流體力學，化學化工，醫療，水利等領域都有廣泛的應用，例如在用管道輸送液體時要根據輸送液體的流量，壓力差，輸送距離及液體粘度，設計輸送管道的口徑。
測量液體粘度可用落球法，毛細管法，轉筒法等方法，其中落球法適用於測量粘度較高的液體。
粘度的大小取決於液體的性質與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。例如對於蓖麻油，在室溫附近溫度改變1˚C，粘度值改變約10%。因此，測定液體在不同溫度的粘度有很大的實際意義，欲准確測量液體的粘度，必須精確控制液體溫度。
實驗目的：
1． 用落球法測量不同溫度下蓖麻油的粘度
2． 了解PID溫度控制的原理
3． 練慣用停表記時，用螺旋測微器測直徑
實驗儀器：
變溫粘度測量儀，ZKY-PID溫控實驗儀，停表，螺旋測微器，鋼球若干
實驗原理：
1． 落球法測定液體的粘度
1個在靜止液體中下落的小球受到重力、浮力和粘滯阻力3個力的作用，如果小球的速度v很小，且液體可以看成在各方向上都是無限廣闊的，則從流體力學的基本方程可以導出表示粘滯阻力的斯托克斯公式：
（1）
（1）式中d為小球直徑。由於粘滯阻力與小球速度v成正比，小球在下落很短一段距離後（參見附錄的推導），所受3力達到平衡，小球將以v0勻速下落，此時有：
（2）
（2）式中ρ為小球密度，ρ0為液體密度。由（2）式可解出粘度η的表達式：
（3）
本實驗中，小球在直徑為D的玻璃管中下落，液體在各方向無限廣闊的條件不滿足，此時粘滯阻力的表達式可加修正系數(1+2.4d/D)，而（3）式可修正為：
（4）
當小球的密度較大，直徑不是太小，而液體的粘度值又較小時，小球在液體中的平衡速度v0會達到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運動狀態對斯托克斯公式的影響：
（5）
其中 ，Re稱為雷諾數，是表徵液體運動狀態的無量綱參數。
（6）
當Re小於0.1時，可認為（1）、（4）式成立。當0.1<Re<1時，應考慮（5）式中1級修正項的影響，當Re大於1時，還須考慮高次修正項。
考慮（5）式中1級修正項的影響及玻璃管的影響後，粘度η1可表示為：
（7）
由於3Re/16是遠小於1的數，將1/（1+3Re/16）按冪級數展開後近似為1－3Re/16，（7）式又可表示為：
（8）
已知或測量得到ρ、ρ0、D、d、v等參數後，由（4）式計算粘度η，再由（6）式計算Re，若需計算Re的1級修正，則由（8）式計算經修正的粘度η1。
在國際單位制中，η的單位是Pa·s（帕斯卡•秒），在厘米，克，秒制中，η的單位是P（泊）或cP（厘泊），它們之間的換算關系是：
1Pa·s = 10P = 1000cP （9）
2．PID調節原理
PID調節是自動控制系統中應用最為廣泛的一種調節規律，自動控制系統的原理可用圖1說明。
e(t) u(t) 操作量

被控量 擾動

圖1 自動控制系統框圖
假如被控量與設定值之間有偏差e(t)=設定值-被控量，調節器依據e(t)及一定的調節規律輸出調節信號u(t)，執行單元按u(t)輸出操作量至被控對象，使被控量逼近直至最後等於設定值。調節器是自動控制系統的指揮機構。
在我們的溫控系統中，調節器採用PID調節，執行單元是由可控硅控制加熱電流的加熱器，操作量是加熱功率，被控對象是水箱中的水，被控量是水的溫度。
PID調節器是按偏差的比例(proportional)，積分(integral)，微分(differential)，進行調節，其調節規律可表示為：
（10）
式中第一項為比例調節，KP為比例系數。第二項為積分調節，TI為積分時間常數。第三項為微分調節，TD為微分時間常數。
PID溫度控制系統在調節過程中溫度隨時間的一般變化關系可用圖2表示，控制效果可用穩定性，准確性和快速性評價。
系統重新設定（或受到擾動）後經過一定的過渡過程能夠達到新的平衡狀態，則為穩定的調節過程；若被控量反復振盪，甚至振幅越來越大，則為不穩定調節過程，不穩定調節過程是有害而不能採用的。准確性可用被調量的動態偏差和靜態偏差來衡量，二者越小，准確性越高。快速性可用過渡時間表示，過渡時間越短越好。實際控制系統中，上述三方面指標常常是互相制約，互相矛盾的，應結合具體要求綜合考慮。
由圖2可見，系統在達到設定值後一般並不能立即穩定在設定值，而是超過設定值後經一定的過渡過程才重新穩定，產生超調的原因可從系統慣性，感測器滯後和調節器特性等方面予以說明。系統在升溫過程中，加熱器溫度總是高於被控對象溫度，在達到設定值後，即使減小或切斷加熱功率，加熱器存儲的熱量在一定時間內仍然會使系統升溫，降溫有類似的反向過程，這稱之為系統的熱慣性。感測器滯後是指由於感測器本身熱傳導特性或是由於感測器安裝位置的原因，使感測器測量到的溫度比系統實際的溫度在時間上滯後，系統達到設定值後調節器無法立即作出反應，產生超調。對於實際的控制系統，必須依據系統特性合理整定PID參數，才能取得好的控制效果。
由（10）式可見，比例調節項輸出與偏差成正比，它能迅速對偏差作出反應，並減小偏差，但它不能消除靜態偏差。這是因為任何高於室溫的穩態都需要一定的輸入功率維持，而比例調節項只有偏差存在時才輸出調節量。增加比例調節系數KP可減小靜態偏差，但在系統有熱慣性和感測器滯後時，會使超調加大。
積分調節項輸出與偏差對時間的積分成正比，只要系統存在偏差，積分調節作用就不斷積累，輸出調節量以消除偏差。積分調節作用緩慢，在時間上總是滯後於偏差信號的變化。增加積分作用(減小TI)可加快消除靜態偏差，但會使系統超調加大，增加動態偏差，積分作用太強甚至會使系統出現不穩定狀態。
微分調節項輸出與偏差對時間的變化率成正比，它阻礙溫度的變化，能減小超調量，克服振盪。在系統受到擾動時，它能迅速作出反應，減小調整時間，提高系統的穩定性。
PID調節器的應用已有一百多年的歷史，理論分析和實踐都表明，應用這種調節規律對許多具體過程進行控制時，都能取得滿意的結果。
儀器介紹
1． 落球法變溫粘度測量儀
變溫粘度儀的外型如圖3所示。待測液體裝在細長的樣品管中，能使液體溫度較快的與加熱水溫達到平衡，樣品管壁上有刻度線，便於測量小球下落的距離。樣品管外的加熱水套連接到溫控儀，通過熱循環水加熱樣品。底座下有調節螺釘，用於調節樣品管的鉛直。

2．開放式PID溫控實驗儀
溫控實驗儀包含水箱，水泵，加熱器，控制及顯示電路等部分。
本溫控試驗儀內置微處理器，帶有液晶顯示屏，具有操作菜單化，能根據實驗對象選擇PID參數以達到最佳控制，能顯示溫控過程的溫度變化曲線和功率變化曲線及溫度和功率的實時值，能存儲溫度及功率變化曲線，控制精度高等特點，儀器面板如圖4所示。
開機後，水泵開始運轉，顯示屏顯示操作菜單，可選擇工作方式，輸入序號及室溫，設定溫度及PID參數。使用 鍵選擇項目， 鍵設置參數，按確認鍵進入下一屏，按返回鍵返回上一屏。
進入測量界面後，屏幕上方的數據欄從左至右依次顯示序號，設定溫度，初始溫度，當前溫度，當前功率，調節時間等參數。圖形區以橫坐標代表時間，縱坐標代表溫度（以及功率），並可用 鍵改變溫度坐標值。儀器每隔15秒採集1次溫度及加熱功率值，並將採得的數據標示在圖上。溫度達到設定值並保持兩分鍾溫度波動小於0.1度，儀器自動判定達到平衡，並在圖形區右邊顯示過渡時間ts，動態偏差σ，靜態偏差e。一次實驗完成退出時，儀器自動將屏幕按設定的序號存儲（共可存儲10幅），以供必要時查看，分析，比較。
3．停表
PC396電子停表具有多種功能。按功能轉換鍵，待顯示屏上方出現符號 且第1和第6、7短橫線閃爍時，即進入停表功能。此時按開始/停止鍵可開始或停止記時，多次按開始/停止鍵可以累計記時。一次測量完成後，按暫停/回零鍵使數字回零，准備進行下一次測量。
實驗內容與步驟
1．檢查儀器後面的水位管，將水箱水加到適當值
平常加水從儀器頂部的注水孔注入。若水箱排空後第1次加水，應該用軟管從出水孔將水經水泵加入水箱，以便排出水泵內的空氣，避免水泵空轉（無循環水流出）或發出嗡鳴聲。
2．設定PID參數
若對PID調節原理及方法感興趣，可在不同的升溫區段有意改變PID參數組合，觀察參數改變對調節過程的影響，探索最佳控制參數。
若只是把溫控儀作為實驗工具使用，則保持儀器設定的初始值，也能達到較好的控制效果。
3．測定小球直徑
由（6）式及（4）式可見，當液體粘度及小球密度一定時，雷諾數Re  d3。在測量蓖麻油的粘度時建議採用直徑1~2mm的小球，這樣可不考慮雷諾修正或只考慮1級雷諾修正。
用螺旋測微器測定小球的直徑d，將數據記入表1中。
表1 小球的直徑
次數 1 2 3 4 5 6 7 8 平均值
d (10-3m)
4．測定小球在液體中下落速度並計算粘度
溫控儀溫度達到設定值後再等約10分鍾，使樣品管中的待測液體溫度與加熱水溫完全一致，才能測液體粘度。
用鑷子夾住小球沿樣品管中心輕輕放入液體，觀察小球是否一直沿中心下落，若樣品管傾斜，應調節其鉛直。測量過程中，盡量避免對液體的擾動。
用停表測量小球落經一段距離的時間t，並計算小球速度v0，用（4）或（8）式計算粘度η，記入表2中。
表2中，列出了部分溫度下粘度的標准值，可將這些溫度下粘度的測量值與標准值比較，並計算相對誤差。
將表2 中η的測量值在坐標紙上作圖，表明粘度隨溫度的變化關系。
實驗全部完成後，用磁鐵將小球吸引至樣品管口，用鑷子夾入蓖麻油中保存，以備下次實驗使用。

表2 粘度的測定 ρ = 7.8×103kg/m3 ρ0 = 0.95×103kg/m3 D = 2.0×10-2m
溫度
（˚C） 時間（s） 速度
(m/s) η (Pa·s)
測量值 *η(Pa·s)
標准值
1 2 3 4 5 平均
10 2.420
15
20 0.986
25
30 0.451
35
40 0.231
45
50
55
* 摘自 CRC Handbook of Chemistry and Physics
附錄 小球在達到平衡速度之前所經路程L的推導
由牛頓運動定律及粘滯阻力的表達式，可列出小球在達到平衡速度之前的運動方程：
（1）
經整理後得：
（2）
這是1個一階線性微分方程，其通解為：
（3）
設小球以零初速放入液體中，代入初始條件（t=0, v=0），定出常數C並整理後得：
（4）
隨著時間增大，（4）式中的負指數項迅速趨近於0，由此得平衡速度：
（5）
（5）式與正文中的（3）式是等價的，平衡速度與粘度成反比。設從速度為0到速度達到平衡速度的99.9%這段時間為平衡時間t0，即令：
（6）
由（6）式可計算平衡時間。
若鋼球直徑為10-3m，代入鋼球的密度ρ，蓖麻油的密度ρ0及40 ºC時蓖麻油的粘度η = 0.231 Pa·s，可得此時的平衡速度約為v0 = 0.016 m/s，平衡時間約為t0 = 0.013 s。
平衡距離L小於平衡速度與平衡時間的乘積，在我們的實驗條件下，小於1mm，基本可認為小球進入液體後就達到了平衡速度。

飛機在空中飛行，樹在微風中搖曳；一切與空氣發生相對運動的物體都會受到與之接觸的空氣層的摩擦力，在摩擦過程中，這一氣層會隨著運動物體一起作適當運動；而與這一氣層接觸的下一氣層，由於分子力的作用，對上一氣層產生的粘滯力，會往相反方向阻礙這種運動；一層一層的影響下去便形成流體中的層流。有時樹欲靜而風不止，有時狂風大作力拔大樹，空氣的粘滯力也是時大時小；太空梭著陸進入大氣層時，空氣的摩擦粘滯阻力可以產生千多度的高溫，可見其作功的威力。表徵流體粘滯力這些特徵的系數叫粘滯系數。在一些力學實驗中，由於空氣粘滯力的影響會帶來一些誤差，所以研究空氣粘滯系數的測定具有一定的實際意義。
本課題要研究空氣粘滯系數及其測定方法，通過研究還要涉及到功能原理的應用，要求利用氣墊導軌來設計幾種方法完成測量，並進行誤差的分析提出自己的見解。
提供儀器及材料
儀器：氣墊導軌；光電計時器；滑塊；物理天平；讀數顯微鏡
材料：米尺、卡尺、量角器
1、什麼叫粘滯系數？液體的粘滯系數測定方法有哪幾種，能否適合空氣粘滯系數的測定？
2、怎樣定性的研究氣軌導軌上滑塊受到空氣粘滯力的作用？
3、從功能原理上分析，氣墊導軌上滑塊的運動速度衰減滿足什麼關系？
4、利用水平導軌來研究空氣粘滯力可以根據什麼原理式，這種方法有什麼局限性？
5、利用傾斜導軌來研究空氣粘滯系數可得什麼實驗原理式，這種方法有什麼困難？
6、有無更好的方法測空氣的粘滯系數，其實驗原理怎麼表達？
7、滑塊與導軌之間的空氣層厚度可以怎麼測？
五、課題內容及指標
1、將氣軌調平，設計實驗方法定性的研究空氣阻尼情況，並測出若干組數據分析能量的損耗。
2、從動能損耗的角度，設計實驗裝置研究氣墊導軌上空氣粘滯系數的測量方法，並測出數據。
3、從勢能耗損的角度，利用氣墊導軌，設計實驗裝置，研究空氣粘滯系數的測量方法，並測出數據。
4、以傾斜導軌上滑塊勢能與動能之差等於空氣粘滯力作功的原理，設計實驗裝置測量空氣粘滯系數，並進行分析。
5、改進裝置，克服以上存在的問題，再設計一種較好的方法，測出空氣的粘滯系數，並計算結果。
6、對以上各測量方法進行比對，分析其實驗結果。
六、結題報告及論文
1、報告課題意義及研究目的
2、介紹基本研究方案及原理，研究滑塊在導軌上的運動情況
3、介紹所設計的儀器裝置及其操作步驟
4、對滑塊在氣軌上的運動，利用功能原理進行分析討論
5、介紹所用的各種測量新方法，分析比較給出研究的正確結論。
6、報告通過本研究所得收獲並提出自己的意見。當液體內各部分之間有相對運動時，接觸面之間存在內摩擦力，阻礙液體的相對運動，這種性質稱為液體的粘滯性，液體的內摩擦力稱為粘滯力。粘滯力的大小與接觸面面積以及接觸面處的速度梯度成正比，比例系數η稱為粘度（或粘滯系數）。
對液體粘滯性的研究在流體力學，化學化工，醫療，水利等領域都有廣泛的應用，例如在用管道輸送液體時要根據輸送液體的流量，壓力差，輸送距離及液體粘度，設計輸送管道的口徑。
測量液體粘度可用落球法，毛細管法，轉筒法等方法，其中落球法適用於測量粘度較高的液體。
粘度的大小取決於液體的性質與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。例如對於蓖麻油，在室溫附近溫度改變1˚C，粘度值改變約10%。因此，測定液體在不同溫度的粘度有很大的實際意義，欲准確測量液體的粘度，必須精確控制液體溫度。
實驗目的：
1． 用落球法測量不同溫度下蓖麻油的粘度
2． 了解PID溫度控制的原理
3． 練慣用停表記時，用螺旋測微器測直徑
實驗儀器：
變溫粘度測量儀，ZKY-PID溫控實驗儀，停表，螺旋測微器，鋼球若干
實驗原理：
1． 落球法測定液體的粘度
1個在靜止液體中下落的小球受到重力、浮力和粘滯阻力3個力的作用，如果小球的速度v很小，且液體可以看成在各方向上都是無限廣闊的，則從流體力學的基本方程可以導出表示粘滯阻力的斯托克斯公式：
（1）
（1）式中d為小球直徑。由於粘滯阻力與小球速度v成正比，小球在下落很短一段距離後（參見附錄的推導），所受3力達到平衡，小球將以v0勻速下落，此時有：
（2）
（2）式中ρ為小球密度，ρ0為液體密度。由（2）式可解出粘度η的表達式：
（3）
本實驗中，小球在直徑為D的玻璃管中下落，液體在各方向無限廣闊的條件不滿足，此時粘滯阻力的表達式可加修正系數(1+2.4d/D)，而（3）式可修正為：
（4）
當小球的密度較大，直徑不是太小，而液體的粘度值又較小時，小球在液體中的平衡速度v0會達到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運動狀態對斯托克斯公式的影響：
（5）
其中 ，Re稱為雷諾數，是表徵液體運動狀態的無量綱參數。
（6）
當Re小於0.1時，可認為（1）、（4）式成立。當0.1<Re<1時，應考慮（5）式中1級修正項的影響，當Re大於1時，還須考慮高次修正項。
考慮（5）式中1級修正項的影響及玻璃管的影響後，粘度η1可表示為：
（7）
由於3Re/16是遠小於1的數，將1/（1+3Re/16）按冪級數展開後近似為1－3Re/16，（7）式又可表示為：
（8）
已知或測量得到ρ、ρ0、D、d、v等參數後，由（4）式計算粘度η，再由（6）式計算Re，若需計算Re的1級修正，則由（8）式計算經修正的粘度η1。
在國際單位制中，η的單位是Pa·s（帕斯卡•秒），在厘米，克，秒制中，η的單位是P（泊）或cP（厘泊），它們之間的換算關系是：
1Pa·s = 10P = 1000cP （9）
2．PID調節原理
PID調節是自動控制系統中應用最為廣泛的一種調節規律，自動控制系統的原理可用圖1說明。
e(t) u(t) 操作量

被控量 擾動

圖1 自動控制系統框圖
假如被控量與設定值之間有偏差e(t)=設定值-被控量，調節器依據e(t)及一定的調節規律輸出調節信號u(t)，執行單元按u(t)輸出操作量至被控對象，使被控量逼近直至最後等於設定值。調節器是自動控制系統的指揮機構。
在我們的溫控系統中，調節器採用PID調節，執行單元是由可控硅控制加熱電流的加熱器，操作量是加熱功率，被控對象是水箱中的水，被控量是水的溫度。
PID調節器是按偏差的比例(proportional)，積分(integral)，微分(differential)，進行調節，其調節規律可表示為：
（10）
式中第一項為比例調節，KP為比例系數。第二項為積分調節，TI為積分時間常數。第三項為微分調節，TD為微分時間常數。
PID溫度控制系統在調節過程中溫度隨時間的一般變化關系可用圖2表示，控制效果可用穩定性，准確性和快速性評價。
系統重新設定（或受到擾動）後經過一定的過渡過程能夠達到新的平衡狀態，則為穩定的調節過程；若被控量反復振盪，甚至振幅越來越大，則為不穩定調節過程，不穩定調節過程是有害而不能採用的。准確性可用被調量的動態偏差和靜態偏差來衡量，二者越小，准確性越高。快速性可用過渡時間表示，過渡時間越短越好。實際控制系統中，上述三方面指標常常是互相制約，互相矛盾的，應結合具體要求綜合考慮。
由圖2可見，系統在達到設定值後一般並不能立即穩定在設定值，而是超過設定值後經一定的過渡過程才重新穩定，產生超調的原因可從系統慣性，感測器滯後和調節器特性等方面予以說明。系統在升溫過程中，加熱器溫度總是高於被控對象溫度，在達到設定值後，即使減小或切斷加熱功率，加熱器存儲的熱量在一定時間內仍然會使系統升溫，降溫有類似的反向過程，這稱之為系統的熱慣性。感測器滯後是指由於感測器本身熱傳導特性或是由於感測器安裝位置的原因，使感測器測量到的溫度比系統實際的溫度在時間上滯後，系統達到設定值後調節器無法立即作出反應，產生超調。對於實際的控制系統，必須依據系統特性合理整定PID參數，才能取得好的控制效果。
由（10）式可見，比例調節項輸出與偏差成正比，它能迅速對偏差作出反應，並減小偏差，但它不能消除靜態偏差。這是因為任何高於室溫的穩態都需要一定的輸入功率維持，而比例調節項只有偏差存在時才輸出調節量。增加比例調節系數KP可減小靜態偏差，但在系統有熱慣性和感測器滯後時，會使超調加大。
積分調節項輸出與偏差對時間的積分成正比，只要系統存在偏差，積分調節作用就不斷積累，輸出調節量以消除偏差。積分調節作用緩慢，在時間上總是滯後於偏差信號的變化。增加積分作用(減小TI)可加快消除靜態偏差，但會使系統超調加大，增加動態偏差，積分作用太強甚至會使系統出現不穩定狀態。
微分調節項輸出與偏差對時間的變化率成正比，它阻礙溫度的變化，能減小超調量，克服振盪。在系統受到擾動時，它能迅速作出反應，減小調整時間，提高系統的穩定性。
PID調節器的應用已有一百多年的歷史，理論分析和實踐都表明，應用這種調節規律對許多具體過程進行控制時，都能取得滿意的結果。
儀器介紹
1． 落球法變溫粘度測量儀
變溫粘度儀的外型如圖3所示。待測液體裝在細長的樣品管中，能使液體溫度較快的與加熱水溫達到平衡，樣品管壁上有刻度線，便於測量小球下落的距離。樣品管外的加熱水套連接到溫控儀，通過熱循環水加熱樣品。底座下有調節螺釘，用於調節樣品管的鉛直。

2．開放式PID溫控實驗儀
溫控實驗儀包含水箱，水泵，加熱器，控制及顯示電路等部分。
本溫控試驗儀內置微處理器，帶有液晶顯示屏，具有操作菜單化，能根據實驗對象選擇PID參數以達到最佳控制，能顯示溫控過程的溫度變化曲線和功率變化曲線及溫度和功率的實時值，能存儲溫度及功率變化曲線，控制精度高等特點，儀器面板如圖4所示。
開機後，水泵開始運轉，顯示屏顯示操作菜單，可選擇工作方式，輸入序號及室溫，設定溫度及PID參數。使用 鍵選擇項目， 鍵設置參數，按確認鍵進入下一屏，按返回鍵返回上一屏。
進入測量界面後，屏幕上方的數據欄從左至右依次顯示序號，設定溫度，初始溫度，當前溫度，當前功率，調節時間等參數。圖形區以橫坐標代表時間，縱坐標代表溫度（以及功率），並可用 鍵改變溫度坐標值。儀器每隔15秒採集1次溫度及加熱功率值，並將採得的數據標示在圖上。溫度達到設定值並保持兩分鍾溫度波動小於0.1度，儀器自動判定達到平衡，並在圖形區右邊顯示過渡時間ts，動態偏差σ，靜態偏差e。一次實驗完成退出時，儀器自動將屏幕按設定的序號存儲（共可存儲10幅），以供必要時查看，分析，比較。
3．停表
PC396電子停表具有多種功能。按功能轉換鍵，待顯示屏上方出現符號 且第1和第6、7短橫線閃爍時，即進入停表功能。此時按開始/停止鍵可開始或停止記時，多次按開始/停止鍵可以累計記時。一次測量完成後，按暫停/回零鍵使數字回零，准備進行下一次測量。
實驗內容與步驟
1．檢查儀器後面的水位管，將水箱水加到適當值
平常加水從儀器頂部的注水孔注入。若水箱排空後第1次加水，應該用軟管從出水孔將水經水泵加入水箱，以便排出水泵內的空氣，避免水泵空轉（無循環水流出）或發出嗡鳴聲。
2．設定PID參數
若對PID調節原理及方法感興趣，可在不同的升溫區段有意改變PID參數組合，觀察參數改變對調節過程的影響，探索最佳控制參數。
若只是把溫控儀作為實驗工具使用，則保持儀器設定的初始值，也能達到較好的控制效果。
3．測定小球直徑
由（6）式及（4）式可見，當液體粘度及小球密度一定時，雷諾數Re  d3。在測量蓖麻油的粘度時建議採用直徑1~2mm的小球，這樣可不考慮雷諾修正或只考慮1級雷諾修正。
用螺旋測微器測定小球的直徑d，將數據記入表1中。
表1 小球的直徑
次數 1 2 3 4 5 6 7 8 平均值
d (10-3m)
4．測定小球在液體中下落速度並計算粘度
溫控儀溫度達到設定值後再等約10分鍾，使樣品管中的待測液體溫度與加熱水溫完全一致，才能測液體粘度。
用鑷子夾住小球沿樣品管中心輕輕放入液體，觀察小球是否一直沿中心下落，若樣品管傾斜，應調節其鉛直。測量過程中，盡量避免對液體的擾動。
用停表測量小球落經一段距離的時間t，並計算小球速度v0，用（4）或（8）式計算粘度η，記入表2中。
表2中，列出了部分溫度下粘度的標准值，可將這些溫度下粘度的測量值與標准值比較，並計算相對誤差。
將表2 中η的測量值在坐標紙上作圖，表明粘度隨溫度的變化關系。
實驗全部完成後，用磁鐵將小球吸引至樣品管口，用鑷子夾入蓖麻油中保存，以備下次實驗使用。

表2 粘度的測定 ρ = 7.8×103kg/m3 ρ0 = 0.95×103kg/m3 D = 2.0×10-2m
溫度
（˚C） 時間（s） 速度
(m/s) η (Pa·s)
測量值 *η(Pa·s)
標准值
1 2 3 4 5 平均
10 2.420
15
20 0.986
25
30 0.451
35
40 0.231
45
50
55
* 摘自 CRC Handbook of Chemistry and Physics
附錄 小球在達到平衡速度之前所經路程L的推導
由牛頓運動定律及粘滯阻力的表達式，可列出小球在達到平衡速度之前的運動方程：
（1）
經整理後得：
（2）
這是1個一階線性微分方程，其通解為：
（3）
設小球以零初速放入液體中，代入初始條件（t=0, v=0），定出常數C並整理後得：
（4）
隨著時間增大，（4）式中的負指數項迅速趨近於0，由此得平衡速度：
（5）
（5）式與正文中的（3）式是等價的，平衡速度與粘度成反比。設從速度為0到速度達到平衡速度的99.9%這段時間為平衡時間t0，即令：
（6）
由（6）式可計算平衡時間。
若鋼球直徑為10-3m，代入鋼球的密度ρ，蓖麻油的密度ρ0及40 ºC時蓖麻油的粘度η = 0.231 Pa·s，可得此時的平衡速度約為v0 = 0.016 m/s，平衡時間約為t0 = 0.013 s。
平衡距離L小於平衡速度與平衡時間的乘積，在我們的實驗條件下，小於1mm，基本可認為小球進入液體後就達到了平衡速度。

飛機在空中飛行，樹在微風中搖曳；一切與空氣發生相對運動的物體都會受到與之接觸的空氣層的摩擦

⑺ 急！！！！關於化工原理流體力學的綜合實驗的問題

1. 直管阻力產生原因為流體黏性引起的內摩擦力，即流動阻力使得部分機內械能轉化為流體的內能容，導致機械能不守恆；而局部阻力主要是由於流道截面和流動方向的突變引起的邊界層分離和迴流漩渦造成的。
測定方法主要如下：
直管阻力：利用壓力計測定所測流體在所測水平等徑管內流動的壓差，一定要水平等徑！！
再根據 壓差=流體密度*阻力損失 就可求得直管阻力
局部阻力：一樣的方法
2. 泵的工作點確定很簡單：將離心泵的特性曲線（泵揚程-泵體積流量）和管路的特性曲線（管路所需壓頭-管路體積流量）聯立求解，交點就是泵的工作點。
3. 水平和垂直管在相同條件下所測的阻力損失是一樣的。由伯努利方程很好推算的。但是實際測量出來的數值可能有些許偏差，主要是要完全讓水平和垂直管內的流體的流速，流型和速度場完全分布一致的話，很難達到，所以造成一些偏差。但是理論上兩者的測量值是一致的。

希望可以幫到你哈。。。
(*^__^*)