流體力學(xué)流動演示實(shí)驗

1、第一部分 基礎(chǔ)性實(shí)驗流體力學(xué)流動演示實(shí)驗流體力學(xué)演示實(shí)驗包括流線流譜演示實(shí)驗、流動演示實(shí)驗兩部分。各實(shí)驗具體內(nèi)容如下：第1部分 流線流譜演示實(shí)驗1.1 實(shí)驗?zāi)康?) 了解電化學(xué)法流動顯示原理。2) 觀察流體運(yùn)動的流線和跡線，了解各種簡單勢流的流譜。3) 觀察流體流經(jīng)不同固體邊界時的流動現(xiàn)象和流線流譜特征。1.2 實(shí)驗裝置實(shí)驗裝置見圖1.1。圖1.1 流線流譜實(shí)驗裝置圖說明：本實(shí)驗裝置包括3種型號的流譜儀，型演示機(jī)翼繞流流線分布，型演示圓柱繞流流線分布，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、

2、機(jī)翼、圓柱、文丘里管流道等組成。1.3 實(shí)驗原理流線流譜顯示儀采用電化學(xué)法電極染色顯示技術(shù)，以平板間夾縫式流道為流動顯示平面，工作液體在水泵驅(qū)動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

3、環(huán)使用。實(shí)驗指導(dǎo)與分析如下：1) 型演示儀。演示機(jī)翼繞流的流線分布。由流動顯示圖像可見，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)際飛行中受到一個向上的合力即升力。本儀器通過機(jī)翼腰部孔道流體流動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，從而驗證流線不會重和的特性。2) 型演示儀。演示圓柱繞流流線分布。當(dāng)流速較小時，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。這是因為流速很低（約0.51.

4、0cm/s），能量損失極小，可以忽略，其流動可視為勢流，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，流動時流線對稱性不復(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。3) 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)流動雷諾數(shù)較小時，液體流經(jīng)不同這些漸變管道、突擴(kuò)或突縮管道時流線疏密程度相應(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

5、擴(kuò)處流線會脫離邊界，形成漩渦，從而顯示實(shí)際流體的流動圖譜。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)動流體在平面流道內(nèi)自下而上流動。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)后流動情況。5) 實(shí)驗結(jié)束，關(guān)閉電源。操作要領(lǐng)與注意事項：、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)驗分析與討論1) 在定常流動時，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，因為定常流動兩者重合2) 駐點(diǎn)的

6、流線發(fā)生轉(zhuǎn)折或分叉，是否與流線的性質(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，其上側(cè)流速較大，壓力較?。幌聜?cè)流速較小壓力較大，從而在機(jī)翼上下產(chǎn)生了一個壓力差，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 流動演示實(shí)驗2.1 實(shí)驗?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)驗裝置流動演示儀實(shí)驗裝置如圖2.1所示。圖2.1 流動演示實(shí)驗裝置圖說明：本實(shí)驗裝置包括7種型號的流動演示儀

7、，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現(xiàn)象。顯示不同邊界及分離、尾流、旋渦等多種流動形態(tài)及其流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動特性。2.3 實(shí)驗演示內(nèi)容與實(shí)驗指導(dǎo)流動演示儀為了改善演示效果，可通過旋動摻氣量調(diào)節(jié)閥改變摻氣量，達(dá)到最佳顯示效果。實(shí)驗指導(dǎo)與分析如下：1) 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

8、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。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)大段流速和湍動強(qiáng)度較小時，可以看到單個大尺度渦旋。反之，流量增大，單個尺度渦旋隨之破碎，形成無數(shù)個小尺度渦旋。因此，渦旋尺度

9、隨湍動強(qiáng)度增大而變小，內(nèi)摩擦加強(qiáng)，水頭損失增大。2) 型演示儀。演示文丘里流量計、孔板流量計、圓弧進(jìn)口管嘴流量計等三種結(jié)構(gòu)流量計及圓弧形彎道等流動圖像。三種流量計中，文丘里流量計的過流順暢，流線順直，無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生?？装辶髁坑嫷倪^流阻力較大，在孔板前，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。上述三種流量計中，孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單，

10、測量精度高，但水頭損失很大，在工程上可用于泄洪消能。3) 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。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) 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圖譜。演示圖像顯示：在

11、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)要求合流時用45°三通連接。閘閥半開時尾渦區(qū)較大，水頭損失也大。蝶閥全開時過流順暢，阻力小，半開時尾渦紊動激烈，表明阻力大且易引起振動。YF-溢流閥裝置顯示閥門前后的流動形態(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。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

12、本穩(wěn)定。由于旋渦帶的存在，必然會產(chǎn)生較激烈的振動，而閥芯的振動又作用于流體的脈動和旋渦區(qū)的壓力脈動，因而引起閥芯的更激烈振動。顯然，這是一個很重要的振源。5) 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，邊界層分離將引起較大的能量損失。單圓柱繞流時，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

13、原理、繞流物體產(chǎn)生振動以及振動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，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) 型演示儀演示明渠逐漸擴(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)不變時不會發(fā)生變化，而在非圓柱繞流時渦街頻率卻隨機(jī)變化。關(guān)于繞流物體的振動問題，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)

14、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，流動順暢，形體阻力最小。從正反流線體的對比流動可見：當(dāng)流線體倒置時也出現(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) 型演示儀這是一只“雙穩(wěn)放大射流閥”流動原理顯示儀。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（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。這時若再轉(zhuǎn)動控制圓盤，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，該裝置既是一個射流閥

15、，又是一個雙穩(wěn)射流控制元件。只要給一個小信號（氣流），便能夠輸出一個大信號（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，并可把它們組成自動控制系統(tǒng)或自動檢測系統(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控制裝置，該裝置就是射流元件在自動控制中的應(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。水泵啟動后，流道喉管、處由于過流斷面較小，流速過大，形成真空。當(dāng)喉管、處壓力不一致時，使射流偏向一側(cè)而形成“附壁效應(yīng)”。如果射流偏向如

16、圖所示左側(cè)，則右側(cè)水箱水位因處真空作用下抽吸而下降，同時，過流，出口處的薄膜逆止閥打開，左水箱加水。當(dāng)右水箱液位下降到小孔高程時，氣流經(jīng)進(jìn)入，處升壓，使射流切換到另一流道即右側(cè)。此時處由于真空作用而從處抽吸左水箱水，、間斷流，處薄膜逆止閥關(guān)閉。過流，出口處的薄膜逆止閥打開，右水箱加水。如此往復(fù)循環(huán)自動切換。圖2.3 射流元件示意圖 操作要領(lǐng)與注意事項：通過旋動摻氣量調(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，會阻斷水流或產(chǎn)生振動。2.4 分析與思考1) 結(jié)合紊動機(jī)理實(shí)驗，分析流動紊動強(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)的旋渦出現(xiàn)。合流渦旋較為典型，明顯干擾主流