完整版流體力學(xué)流動(dòng)演示試驗(yàn)

1、流體力學(xué)流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)包括流線流譜演示實(shí)驗(yàn)、 流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)兩部分。各實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容如下:第1部分 流線流譜演示實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 了解電化學(xué)法流動(dòng)顯示原理。2)觀察流體運(yùn)動(dòng)的流線和跡線，了解各種簡單勢流的流譜。3) 觀察流體流經(jīng)不同固體邊界時(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象和流線流譜特征。1.2 實(shí)驗(yàn)裝置說明：本實(shí)驗(yàn)裝置包括 3種型號的流譜儀，I型演示機(jī)翼繞流流線分布，n型演示 圓柱繞流流線分布，出型演示文丘里管、孔板、突縮、突擴(kuò)、閘板等流段縱剖面上的流 譜。流譜儀由水泵、工作液體、流速調(diào)節(jié)閥、對比度調(diào)節(jié)旋鈕與正負(fù)電極、夾縫流道顯示面、燈光、機(jī)翼、圓柱、文丘里管流道等組成。1.3 實(shí)驗(yàn)原理流線流譜顯

2、示儀采用電化學(xué)法電極染色顯示技術(shù)，以平板間夾縫式流道為流動(dòng)顯示 平面，工作液體在水泵驅(qū)動(dòng)下從顯示面底部流出，工作液體是由酸堿度指示劑配制的水 溶液，在直流電極作用下會(huì)發(fā)生水解電離，在陰極附近液體變?yōu)閴A性，從而液體呈現(xiàn)紫 紅色。在陽極附近液體變?yōu)樗嵝?，從而液體呈現(xiàn)黃色。其他液體仍為中性的橘黃色。帶 有一定顏色的流體在流動(dòng)過程中形成紫紅色和黃色相間的流線或跡線。流線或跡線的形 狀，反映了機(jī)翼繞流、圓柱繞流流動(dòng)特性，反映了文丘里管、孔板、突縮、突擴(kuò)、閘板 等流道內(nèi)流動(dòng)特性。流體自下而上流過夾縫流道顯示面后經(jīng)頂端的匯流孔流回水箱中， 經(jīng)水泵混合，中和消色，循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與分析如下：1） I型演示儀

3、。演示機(jī)翼繞流的流線分布。由流動(dòng)顯示圖像可見，機(jī)翼右側(cè)即向天側(cè)流線較密，由 連續(xù)方程和能量方程可知，流線密，表明流速大、壓強(qiáng)低；而機(jī)翼左側(cè)即向地側(cè)流線較 稀疏，表明速低、壓強(qiáng)較高。這表明機(jī)翼在實(shí)際飛行中受到一個(gè)向上的合力即升力。本 儀器通過機(jī)翼腰部孔道流體流動(dòng)方向可以顯示出升力方向。此外，在流道出口端還可以觀察到流線匯集后，并無交叉，從而驗(yàn)證流線不會(huì)重和 的特性。2） n型演示儀。演示圓柱繞流流線分布。當(dāng)流速較小時(shí)，零流線在前駐點(diǎn)分成左右2支，經(jīng)90。點(diǎn)后在圓柱后部后駐點(diǎn)處二者又合二為一。所顯示的流譜圓柱前后幾乎完全對稱。這是因?yàn)榱魉俸艿停s 0.51.0cm/s）,能量損失極小，可以忽略，其

4、流動(dòng)可視為勢流，繞流 流體可視為理想流體。因此，流譜與圓柱繞流勢流理論流譜基本一致。當(dāng)流速增大后，雷諾數(shù)增大，流動(dòng)時(shí)流線對稱性不復(fù)存在，圓柱上游流譜不變而下 游原來合二為一的有色線分開，尾流出現(xiàn)，流動(dòng)由勢流變成渦流了。由此可知，勢流與 渦流是性質(zhì)完全不同的兩種流動(dòng)。3） 出型演示儀。演示儀左側(cè)演示文丘里管、孔板、逐漸擴(kuò)大和逐漸縮小流道內(nèi)縱剖面上的流譜，右 側(cè)演示突然擴(kuò)大、突然縮小、明渠閘板流段縱剖面上的流譜。當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)較小時(shí)，液 體流經(jīng)不同這些漸變管道、突擴(kuò)或突縮管道時(shí)流線疏密程度相應(yīng)變化而不交叉，在邊界 并沒有漩渦出現(xiàn)。當(dāng)適當(dāng)提高雷諾數(shù)后，經(jīng)過一定的起始段后，在突擴(kuò)處流線會(huì)脫離邊 界，形成

5、漩渦，從而顯示實(shí)際流體的流動(dòng)圖譜。該演示儀也可說明均勻流、漸變流、急變流的流線特征。1.4 實(shí)驗(yàn)方法與步驟1）打開電源開關(guān)，燈光亮，打開水泵開關(guān)，驅(qū)動(dòng)流體在平面流道內(nèi)自下而上流動(dòng)。2）調(diào)節(jié)側(cè)面流量調(diào)節(jié)閥到適當(dāng)位置，達(dá)到最佳顯示效果。3）觀察分析流道內(nèi)流動(dòng)情況和流線流譜特征。4）改變流速，觀察提高雷諾數(shù)后流動(dòng)情況。5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源。操作要領(lǐng)與注意事項(xiàng)：、流線不清晰，可適當(dāng)?shù)螏椎螝溲趸c溶液或鹽酸。對比度適中，流體流速要小。1.5實(shí)驗(yàn)分析與討論1) 在定常流動(dòng)時(shí)，從演示儀中看到的有色線是流線還是跡線？為什么?既是流線也是跡線，因?yàn)槎ǔＡ鲃?dòng)兩者重合2) 駐點(diǎn)的流線發(fā)生轉(zhuǎn)折或分叉，是否與流線的性

6、質(zhì)矛盾？不矛盾3) 根據(jù)流線的性質(zhì)及能量方程，說明機(jī)翼受到的升力作用？飛機(jī)機(jī)翼呈上凸下凹狀，當(dāng)空氣流經(jīng)機(jī)翼時(shí)，其上側(cè)流速較大，壓力較小；下側(cè)流速較 小壓力較大，從而在機(jī)翼上下產(chǎn)生了一個(gè)壓力差，此即為飛機(jī)的升力。4) 勢流下的圓柱繞流壓差阻力是否為零？流線特征如何?不是第2部分流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 觀察各種邊界條件下產(chǎn)生的漩渦現(xiàn)象，掌握漩渦產(chǎn)生的原因與條件。2) 通過觀察各種流動(dòng)現(xiàn)象，加深理解局部阻力、 繞流阻力、卡門渦街的發(fā)生機(jī)理。2.2 實(shí)驗(yàn)裝置流動(dòng)演示儀實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2.1所示。L直弟彎道,圓見烈彎道 F通端展口 口口口 . ,一計(jì)1 根量濡孔流計(jì)突然收箍擴(kuò)大逐漸收縮擴(kuò)大日頭3

7、哲- 閥 閥II流U間藪髓片1型oIV直角彎;苴* a電q方圓柱 桀流III明集逐 漸擴(kuò)散一卜圓柱爰薄加水孔；O井美V型橋墩形 鈍依心 塞流摻氣是調(diào)節(jié)閥nr rmOVI型雙穩(wěn) 敢太 射流閥B3 bl正良 流線體 繞流一明第一流流道 分臺(tái)苜圖2.1流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)裝置圖說明：本實(shí)驗(yàn)裝置包括 7種型號的流動(dòng)演示儀，由電源開關(guān)、加水孔、摻氣量調(diào)節(jié) 閥、燈光和各種夾縫流道等組成，演示各種形狀邊界和各種形狀物體繞流流動(dòng)現(xiàn)象。顯 示不同邊界及分離、尾流、旋渦等多種流動(dòng)形態(tài)及其流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性。2.3 實(shí)驗(yàn)演示內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)流動(dòng)演示儀為了改善演示效果，可通過旋動(dòng)摻氣量調(diào)節(jié)閥改變摻氣量，達(dá)到最佳顯 示效果。

8、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與分析如下：1） I型演示儀。演示逐漸擴(kuò)大、逐漸收縮、突然擴(kuò)大、突然收縮、壁面沖擊、直角彎道等平面上的 流動(dòng)圖像。在逐漸擴(kuò)大段，可看到由邊界層分離而形成的旋渦，在上游流速越大，渦旋尺度越 小，紊動(dòng)強(qiáng)度越高。在逐漸收縮段，無邊界層分離，亦無旋渦，流線均勻收縮。因此， 逐漸收縮段比逐漸擴(kuò)大段水頭損失小。在突然擴(kuò)大段出現(xiàn)較大的旋渦區(qū)，而突然收縮段只在死角和收縮斷面的進(jìn)口附近出 現(xiàn)較小的旋渦區(qū)。因此，突擴(kuò)段比突然收縮段有更大的局部水頭損失（縮擴(kuò)的直徑比小 于0.7）,且水頭損失主要產(chǎn)生在突縮斷面之后。在突然收縮段，類似直角進(jìn)口管嘴流動(dòng)。 在管嘴進(jìn)口附近，流線收縮并有旋渦產(chǎn)生， 致使有效過流斷面

9、減小，流速增大，在收縮斷面出現(xiàn)真空。在直角彎道和壁面沖擊段有多處旋渦出現(xiàn)，尤其在彎道流動(dòng)中，流線彎曲更劇烈， 在近內(nèi)壁處出現(xiàn)明顯的回流。通過調(diào)節(jié)流量大小，觀察旋渦大小和湍動(dòng)強(qiáng)度與流速關(guān)系。當(dāng)流量減小，逐漸擴(kuò)大 段流速和湍動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，可以看到單個(gè)大尺度渦旋。反之，流量增大，單個(gè)尺度渦旋 隨之破碎，形成無數(shù)個(gè)小尺度渦旋。因此，渦旋尺度隨湍動(dòng)強(qiáng)度增大而變小，內(nèi)摩擦加 強(qiáng)，水頭損失增大。2） n型演示儀。演示文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、圓弧進(jìn)口管嘴流量計(jì)等三種結(jié)構(gòu)流量計(jì)及圓弧形 彎道等流動(dòng)圖像。三種流量計(jì)中，文丘里流量計(jì)的過流順暢，流線順直，無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生?？装辶髁坑?jì)的過流阻力較大，在孔板前，

10、流線逐漸收縮，匯集于孔口處，只在拐角處有 小旋渦，孔板后的水流逐漸擴(kuò)散，并在主流區(qū)的周圍形成較大的旋渦區(qū)。圓弧進(jìn)口管嘴 流量計(jì)入流順暢，管嘴過流段上無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生。在圓形彎道段，邊界層分離 的現(xiàn)象及分離點(diǎn)明顯可見，與直角彎道比較，流線較順暢，旋渦發(fā)生區(qū)域小。而I型演 示儀中直角彎道旋渦大，回流更加明顯。上述三種流量計(jì)中，孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，但水頭損失很大，在工程 上可用于泄洪消能。3）出型演示儀。演示30彎頭、直角圓弧彎頭、直角彎頭、45彎頭、非自由射流等流段的流動(dòng)圖像。演示圖像顯示：各種彎道的后面都因邊界層分離而產(chǎn)生旋渦。轉(zhuǎn)彎角度不同，旋渦 大小、形狀各異，水頭損失不同。

11、在圓弧轉(zhuǎn)彎段，流線較順暢，在串聯(lián)管道上，還顯示 局部水頭損失疊加影響的圖譜。在非自由射流段，射流離開噴口后，不斷卷吸周圍流體,形成射流的紊動(dòng)擴(kuò)散。在此流段上還可以看到射流的“附壁效應(yīng)”現(xiàn)象。4） IV型演示儀。演示30彎頭、分流、合流、45彎頭、YF-溢流閥、閘閥、蝶閥等流段縱剖面上 的流動(dòng)圖譜。演示圖像顯示：在轉(zhuǎn)彎、分流、合流等過流段上，有不同形態(tài)的旋渦出現(xiàn)。合流旋 渦較為典型，明顯干擾主流，使主流受阻，這在工程上稱之為“水塞”，給排水技術(shù)要 求合流時(shí)用45。三通連接。閘閥半開時(shí)尾渦區(qū)較大，水頭損失也大。蝶閥全開時(shí)過流順 暢，阻力小，半開時(shí)尾渦紊動(dòng)激烈，表明阻力大且易引起振動(dòng)。YF-溢流閥裝

12、置顯示閥門前后的流動(dòng)形態(tài)：流體經(jīng)閥口噴出后，在閥芯的大反弧段發(fā)生邊界層分離，出現(xiàn)一圈 旋渦帶；在射流和閥座的出口處，也產(chǎn)生一較大的旋渦環(huán)帶。在閥后，尾跡區(qū)大而復(fù)雜， 并有隨機(jī)的卡門渦街產(chǎn)生。經(jīng)閥芯芯部流過的小股流體也在尾跡區(qū)產(chǎn)生不規(guī)則的左右擾動(dòng)。調(diào)節(jié)流量大小，旋渦的基本形態(tài)不變，表明在相當(dāng)大的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦基本穩(wěn) 定。由于旋渦帶的存在，必然會(huì)產(chǎn)生較激烈的振動(dòng)，而閥芯的振動(dòng)又作用于流體的脈動(dòng) 和旋渦區(qū)的壓力脈動(dòng)，因而引起閥芯的更激烈振動(dòng)。顯然，這是一個(gè)很重要的振源。5） V型演示儀演示明渠逐漸擴(kuò)散、單圓柱繞流、多圓柱繞流及直角彎道等流動(dòng)圖像。在明渠逐漸擴(kuò)散段，可看到由邊界層分離而形成的旋渦，

13、邊界層分離將引起較大的 能量損失。單圓柱繞流時(shí)，可觀察到邊界層分離狀況、分離點(diǎn)位置、滯止點(diǎn)、卡門渦街 的產(chǎn)生與發(fā)展過程。觀察到多圓柱繞流時(shí)的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜?？ㄩT渦街是指在圓柱的兩個(gè)對稱點(diǎn)上產(chǎn)生邊界層分離后，不斷交替在兩側(cè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 方向相反的旋渦，并流向下游，形成馮？?卡門“渦街”。通過觀察渦街現(xiàn)象，分析升力 產(chǎn)生的原理、繞流物體產(chǎn)生振動(dòng)以及振動(dòng)方向與來流方向相垂直的問題。多圓柱繞流廣泛用于熱工傳熱系統(tǒng)的“冷凝器”和其他工業(yè)管道的熱交換器。流體 流經(jīng)圓柱時(shí)，邊界層內(nèi)的流體和柱體發(fā)生熱交換，柱體后的旋渦則起混摻作用，然后流 經(jīng)下一柱體，再交換再混摻，換熱效果較佳。6） V1型演示儀

14、演示明渠逐漸擴(kuò)散、橋墩形鈍體繞流、流線體繞流、直角彎道和正反流線體繞流等流動(dòng)圖譜。橋墩形鈍體繞流顯示：在尾流區(qū)也有卡門渦街現(xiàn)象，不過和圓柱繞流的渦街頻率有 所不同，圓柱繞流的渦街頻率在Re數(shù)不變時(shí)不會(huì)發(fā)生變化，而在非圓柱繞流時(shí)渦街頻率卻隨機(jī)變化。關(guān)于繞流物體的振動(dòng)問題，有三種途徑解決：一是改變流速；二是改變繞流體自振 頻率；三是改變繞流體結(jié)構(gòu)形式，破壞渦街的固有頻率，避免共振。流線形柱體繞流是繞流體的最好形式，流動(dòng)順暢，形體阻力最小。從正反流線體的 對比流動(dòng)可見：當(dāng)流線體倒置時(shí)也出現(xiàn)卡門渦街。因此，為使過流平穩(wěn)，應(yīng)采用順流而 放的圓頭尖尾形柱體。7） 口型演示儀這是一只“雙穩(wěn)放大射流閥”流動(dòng)原

15、理顯示儀。射流經(jīng)噴嘴噴射后，如果先附于左 壁，射流經(jīng)左通道后，向右出口輸出；當(dāng)旋轉(zhuǎn)儀器表面控制圓盤，使左氣道與圓盤氣孔 相通時(shí)（通大氣），因射流獲得左側(cè)的控制流（小信號），射流便切換至右壁，流體從左 出口輸出。這時(shí)若再轉(zhuǎn)動(dòng)控制圓盤，切斷氣流，射流穩(wěn)定于原通道不變。如要射流再切 換回來，只要轉(zhuǎn)動(dòng)控制圓盤，使右氣道與圓盤氣孔相通即可。因此，該裝置既是一個(gè)射 流閥，又是一個(gè)雙穩(wěn)射流控制元件。只要給一個(gè)小信號（氣流），便能夠輸出一個(gè)大信 號（射流），并能把脈沖小信號保持記憶下來。由演示所見的射流附壁現(xiàn)象，又被稱作“附壁效應(yīng)”。利用附壁效應(yīng)可制成 “或門”、“非門”、“或非門”等各種射流元件，并可把它們

16、組成自動(dòng) 控制系統(tǒng)或自動(dòng)檢測系統(tǒng)。由于射流元件不受外界電磁干擾， 比電子自控元件有獨(dú)特的優(yōu)勢。在裝置中配置了液位自動(dòng)控制裝置，該裝置就是射流元件在自動(dòng)控制中白應(yīng)用。圖 2.3為雙穩(wěn)放大射流閥與雙水箱容器 及4根連通管連通各處位置示意圖。水泵啟動(dòng)后，流道喉管 a2、b2處由于過流斷面較小，流速過大，形成真空。當(dāng)喉管 a2、b2處壓力不一致時(shí)，使射流 偏向一側(cè)而形成“附壁效應(yīng)”。如果射流偏向如圖所示左側(cè)，則右側(cè)水箱水位因b2處真空作用下抽吸而下降，同時(shí)，a4一 a3過流，a3出口處的薄膜逆止閥打開，左水箱加水。當(dāng)右水箱液位下降到b1小孔高程時(shí)，氣流經(jīng)b1進(jìn)入b2, b2處 升壓，使射流切換到另一流道即右側(cè)。此時(shí)a2處由于真空作用而從a1處抽吸左水箱水，a3、a4間斷流，a3處薄膜逆止閥關(guān)閉。b4- b3過流，b3出口處的薄膜逆止閥打開，右水箱加水。如此往復(fù)循環(huán)自動(dòng)切換。圖2.3射流元件示意圖操作要領(lǐng)與注意事項(xiàng)： 通過旋動(dòng)摻氣量調(diào)節(jié)閥改變摻氣量，可達(dá)到最佳顯示效果。注 意有滯后性，調(diào)節(jié)應(yīng)緩慢進(jìn)行。摻氣量不宜太大，否則，會(huì)阻斷水流或產(chǎn)生振動(dòng)。2.4分析與思考1）結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)，分析流動(dòng)紊動(dòng)強(qiáng)度、渦旋大小與水頭損失之間關(guān)系。在轉(zhuǎn)彎、分流、合流等過流段上，有不同形態(tài)的