流體力學實驗_第七章

1、1第七章 水動力學實驗設備 7.1 水動力學實驗設備的分類 水動力學的實驗內(nèi)容非常廣泛，其設備種類繁多。 1.水槽:水槽是常用的流體力學實驗設備，主要用于有自由表面的水體流動規(guī)律。 按結構型式分為固定、變坡、陡坡等。按用途分為清水常規(guī)水槽、渾水（泥沙）水槽、波浪水槽、風水槽等。 2.水洞：水洞也是常用的流體力學實驗設備，實驗段沒有水的自由表面。 3.水池流體力學實驗理論24. 專用設備 減壓箱：研究空化空蝕機理的實驗設備，空化是常溫下液體內(nèi)部由于壓力降低而形成的流體形態(tài)破壞，產(chǎn)生空泡或空穴。 水輪機試驗臺 水泵試驗臺5. 三維水力模型實驗水動力學實驗設備可應用于： 水動力學和流體力學的基礎性研

2、究 工程性的模型實驗研究37.2 水槽和水洞水槽的結構：研究性實驗水槽一般由儲水箱及管路系統(tǒng)、凈水裝置、水泵組和槽本體組成 凈水裝置：為了避免水中雜質(zhì)對水槽的污染設置的，水源在經(jīng)過凈水裝置處理后才能進入回路。 動力系統(tǒng)：由一組泵組成，開啟不同數(shù)量的水泵就可得到不同流速的水流，水由泵組加壓后流入集水箱，再通過導水管路到達水槽的安定段。 安定段：其作用與風洞相仿，內(nèi)部裝有粗孔塑料泡沫層和尼龍紗網(wǎng)，它們的作用是對水流進行整流。水流通過收縮段加速，可采用較高的收縮比來降低水流的原始湍流度。 實驗段：一般為很長的矩形槽。常用玻璃（或有機玻璃）做水槽壁面，便于對流場進行觀察拍照。 最后水流通過下游的排水閥

3、門流回泵站。41.凈水器，2.閥門， 3.泵組， 4.集水箱， 5.安定段，6.阻尼網(wǎng)，7.收縮段，8.工作段,9.出水閥， 10.儲水箱5水槽流速和水位的調(diào)節(jié)： 要保證實驗在嚴格定常的流動條件下進行以及滿足實驗所需的流量要求，水槽實驗裝置的供水不直接與自來水管道連接，而要通過一獨立的水箱管路系統(tǒng)，典型的由有一定水頭高度的水箱、連接管道、水渠道和水泵組成。 水箱的溢流板使水箱中的水位在實驗過程中保持恒定，水箱內(nèi)還可以插有幾塊多孔阻尼板作為穩(wěn)流裝置，用來消除進水所引起的波動。 水通過實驗裝置后流入回水渠道，集中到水池里，由水泵再次泵入水箱，循環(huán)使用。6進水出水溢流平水箱（穩(wěn)水箱）7 實驗流量可通

4、過泵組和流量控制閘閥來調(diào)節(jié)，也可利用變頻器泵來控制。 實驗水深的調(diào)節(jié)可通過安裝在水槽矩形槽出口端的尾門開度來控制。 尾門的開度可由計算機自動控制，尾門開度按一定周期變化，相應水槽的水位和流速也按一定周期變化，可模擬潮流。 還可有其它的調(diào)節(jié)裝置。8循環(huán)水槽結構示意圖9Tunnel Assembly Settling Chamber Exit Section Motor Assembly 小型水槽10大型水槽11船舶試驗水槽（400m）12其它水槽（1）拖曳水槽：船模實驗、分層流實驗等 13（2）波浪水槽 在普通水槽上裝上造波器和消波器，造波器用來模擬海浪，有多種形式。在水槽的另一端，消波器使水波

5、以及模型產(chǎn)生的船波不再反射。造波裝置14波浪水槽防波堤模型實驗15清渾水兩用波流水槽可用于：波流相互作用含沙水流運動底泥起動懸移質(zhì)沉降波流與不同底質(zhì)的相互作用16（3）風浪水槽 把水槽頂部封閉起來，并在兩端留有進氣口和排氣口，這樣在水面上就形成了一條空氣通路。 一般在下游端裝上風機抽吸空氣，把上游端做成收縮段的形狀，并將它作為空氣的入口，風機的抽吸使水面上的空氣產(chǎn)生流動，就形成了風浪水槽。 風浪水槽可用來研究風生浪、風浪干擾、水面油膜擴散等方面的研究。17 水洞的結構和原理與回流式風洞相似，只不過其中的介質(zhì)是水而已。 水洞與風洞的不同之處是：（1）由于水的密度比空氣大數(shù)百倍，推動水流動的動力系

6、統(tǒng)的功率一般很大；（2）水洞實驗段是封閉的管路系統(tǒng)，一般不能做成敞開式的；（3）水洞可以做成重力式的。即利用高水位下落至低水位時位勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿脑?，獲得實驗段一定速度的水流。 水洞可進行常規(guī)水動力學實驗、空泡實驗、邊界層機理和水噪聲實驗等。水洞簡介：18小型水洞19重力式水洞的結構示意圖如下所示：1.溝，2.磅秤，3.量水箱，4.切換機構，5.溢流箱，6.水池，7.水泵，8.回水管，9.出水閥，10.實驗裝置; 11.進水閥，12.水箱，13.多孔阻尼板，14.溢流壩水泵將地下水池中的水泵入高位的水箱中，水箱內(nèi)的溢流板使水箱中的水位保持恒定。水箱內(nèi)還插有多孔阻尼板作為穩(wěn)流裝置，用來消除進水

7、所引起的波動。水在管道內(nèi)經(jīng)過擴壓段、整流網(wǎng)和收縮段后進入實驗段，然后流入回流渠道，集中到水池中。20圖為在空化實驗水洞中用頻閃光源拍攝到的高速旋轉(zhuǎn)螺旋槳的空化現(xiàn)象照片，從照片中可看到在螺旋槳葉梢上產(chǎn)生的空泡形成的螺旋線。為了觀察非定常流動和高速運動流場的流動圖像和變化過程，通常需要采用高速攝影技術。21高速攝影在流動顯示中的應用： 人眼的空間分辨率約為0.1mm，時間分辨率約為0.1s。高速攝影是用“快攝慢現(xiàn)”的手段來擴展人眼視力的極限。 高速攝影機和普通攝影機的區(qū)別是曝光時間和攝影頻率，攝影頻率在102幀/秒的稱為普通攝影（一般電影攝影的標準頻率為每秒24幅），而高速攝影機的攝影頻率可達每秒

8、幾千幀以上。 高速攝影是高速定常和非定常流動過程流動顯示的重要手段，可與各種流動顯示方法結合使用。22 定常流動：拍攝典型瞬時情況下的單張高速照片，高速快門控制曝光時間。 非定常流動：連續(xù)記錄高速流場的運動過程，高速攝影的拍攝頻率（幀/秒）必須與流動變化速率同步，變化越快的流動過程要求的拍攝頻率越高。 237.3 三維水力模型實驗簡介 實際河道、河口地區(qū)的水流運動非常復雜，在水利工程、河流工程、港口和航道工程等重大工程項目中，三維水力模型試驗是項目論證、規(guī)劃、工程設計、實施、動態(tài)管理和施工等方面的重要手段。 物理模型：水工模型 河工模型 港工模型24水利樞紐工程25長江口深水航道整治工程導堤2

9、6長江口整體物理模型試驗大廳外觀效果圖 （上海浦東）水平縮尺為1:1000，垂直縮尺為1:12527長江口物理模型（南京水科院）28錢塘江河口（含杭州灣）整體模型（杭州）29模型分類：（1）正態(tài)模型和變態(tài)模型 正態(tài)模型的長、寬、高按同一比尺縮小，其幾何形狀與原型完全相似。 變態(tài)模型的水平方向上的比尺kl和水深方向上的比尺kh不同，其幾何形狀與原型并不嚴格相似，幾何變形的程度可用變態(tài)率來表示。hlkk30（2）定床模型和動床模型 按照模型河床能否變形可把模型分成定床和動床兩類。 定床模型：模型河床不隨水流作用而改變，其河床常用水泥沙漿制作，模型水流是清水。 動床模型：模型河床隨水流作用而改變，其河床常用天然沙或輕質(zhì)沙（如煤粉、木屑、塑料沙、膠木粉等）制作，模型水流也常挾沙。當河床變形顯著或要了解河道沖淤情況時，需采用動床模型，動床模型一般都是動態(tài)模型。31模型設計： 滿足相似率（相似準則）動床模型