漩渦實(shí)驗(yàn)儀講義

1、漩 渦 實(shí) 驗(yàn) 儀說 明 書天津市睿智天成科技發(fā)展有限公司一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察流體運(yùn)動的跡線和流線；2.觀察流體繞固體邊界運(yùn)動時(shí)的流動現(xiàn)象；3.觀察各種簡單勢流：源、匯、平行流的流譜。二、實(shí)驗(yàn)裝置與流程2.1實(shí)驗(yàn)裝置整套實(shí)驗(yàn)裝置由低位槽、水泵、演示裝置等組成。其中演示裝置有六種類型，分別為ZL-1型、ZL-2型、ZL-3型、ZL-4型、ZL-5型、ZL-6型。2.1.1 ZL-1型 顯示逐漸擴(kuò)散、逐漸收縮、突然擴(kuò)大、突然收縮、壁面沖擊、180°直角彎道等平面上的流動圖像，模擬串聯(lián)管道縱剖面流譜。 在逐漸擴(kuò)散段可看到由主流脫離邊壁（邊界層分離）而形成的旋渦，且靠近上游喉頸處，流速越大，

2、旋渦尺度越小，紊動強(qiáng)度越高；而在逐漸收縮段，無分離，流線均勻收縮，亦無旋渦。由此可知，逐漸擴(kuò)散段的局部水頭損失大于逐漸收縮段。 在突然擴(kuò)大段出現(xiàn)了較大的旋渦區(qū)，而突然收縮段只在死角處和收縮斷面后的進(jìn)口附近出現(xiàn)較小的旋渦區(qū)。表明突擴(kuò)段比突縮段有較大的局部水頭損失（縮擴(kuò)的直徑比大于0.7時(shí)例外），而且突縮段的水頭損失主要發(fā)生在突縮斷面之后（旋渦區(qū)在后）。 由于本儀器突縮段較短，故其流譜亦可視為直角進(jìn)口管嘴的流動圖像。在管嘴進(jìn)口附近，流線明顯收縮，并有旋渦產(chǎn)生，致使有效過流斷面減小，流速增大，從而在收縮斷面出現(xiàn)真空。 在直角彎道和壁面沖擊段，也有多處旋渦區(qū)出現(xiàn)。尤其在彎道水流中，流線彎曲更加劇烈，越

3、靠近彎道內(nèi)側(cè)，流速越??；且近內(nèi)壁處，出現(xiàn)明顯的回流，將直角彎道所形成的回流范圍與ZL-2型圓角轉(zhuǎn)彎對比，顯然直角彎道旋渦區(qū)大，回流更加明顯。 旋渦的大小和紊動強(qiáng)度與流速有關(guān)。這可以通過調(diào)節(jié)流量來觀察對比：如流量減小，漸擴(kuò)段流速較小，其紊動強(qiáng)度也較小，這時(shí)可看到在整個(gè)漸擴(kuò)段有明顯的單個(gè)大尺度旋渦。反之，當(dāng)流量增大時(shí)，這單個(gè)大尺度旋渦隨之破碎，并形成無數(shù)個(gè)小尺度的旋渦，且流速越高，紊動強(qiáng)度越大，則旋渦越小?？梢钥吹剑瑤缀趺恳粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。在突擴(kuò)段，也可看到類似的旋渦尺度變化。據(jù)此清楚表明：紊動強(qiáng)度越大，旋渦尺度越小，幾乎每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。由于流體質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)磨擦越厲害

4、，水頭損失也就越大。2.1.2 ZL-2型 顯示文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、圓弧進(jìn)口管嘴以及壁面沖擊、180°圓弧形彎道等串聯(lián)流道縱剖面上的流動圖像。由顯示可見，文丘里流量計(jì)的過流順暢，流線順直，無主流與邊壁的分離和旋渦產(chǎn)生。在孔板前，流線逐漸收縮，匯集于孔板的孔口處，只在拐角處有小旋渦出現(xiàn)，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)。由此可知，孔板流量計(jì)的過流阻力比文丘里流量計(jì)大。圓弧進(jìn)口管嘴入流順暢，管嘴過流段上無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生（對比1型的直角進(jìn)口管嘴）；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)域較小。文丘里及孔板流量

5、計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精度高。由顯示可見其結(jié)構(gòu)的區(qū)別及其用途：文丘里流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能量損失較小，對液流干擾較少，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際工程中的流量量測?？装辶髁坑?jì)結(jié)構(gòu)更為簡單，但水頭損失很大，這一點(diǎn)作為流量計(jì)是缺點(diǎn)，但將其作為工程上的孔板消能又是優(yōu)點(diǎn)。2.1.3 ZL-3型 顯示30°彎頭、直角圓弧彎頭、直角銳緣彎頭、45°彎頭以及非自由射流等流段縱剖面上的流動圖像。由顯示可見，在每一轉(zhuǎn)彎的后面，都因主流與固壁分離而產(chǎn)生旋渦，轉(zhuǎn)彎角度不同，旋渦大小、形狀各異，圓弧轉(zhuǎn)彎段相對銳緣彎頭段，流線較順暢。由于設(shè)備中直角圓弧彎頭、直角銳緣彎頭相距很近，這就顯示了局部水頭損失疊加

6、影響的圖譜。在非自由射流段，射流離開噴嘴后，不斷卷吸周圍的流體，形成射流的紊動擴(kuò)散。在此流段上還可看到射流的“附壁效應(yīng)”現(xiàn)象。2.1.4 ZL-4型 顯示30°彎頭、分流、合流、45°彎頭、YF溢流閥、閘閥及蝶閥等流段縱剖面上的流動圖譜。其中YF溢流閥固定，為全開狀態(tài)，蝶閥活動可調(diào)。由顯示可見，在轉(zhuǎn)彎、分流、合流等流段上，有不同形態(tài)的旋渦出現(xiàn)。合流旋渦明顯干擾主流，使主流受阻，這在工程上稱之為“水塞”現(xiàn)象，為避免“水塞”，給排水技術(shù)要求合流時(shí)用450三通連接。閘閥半開，尾部旋渦區(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)，尾渦紊動激烈，表明阻力大且易引起振動，

7、所以工程上蝶閥通常作檢修用，只允許全開或全關(guān)。YF溢流閥結(jié)構(gòu)和流態(tài)均較復(fù)雜，下面詳述。YF溢流閥廣泛用于液壓傳動系統(tǒng)。其流動介質(zhì)通常是油，閥門前后壓差可高達(dá)315 bar，閥道處的流速可高達(dá)二百多米每秒。因裝置中流動介質(zhì)是水，為了與實(shí)際閥門的流動相似（雷諾數(shù)相同），在閥門前加一減壓分流。該裝置能十分清晰地顯示閥門前后的流動形態(tài)：高速流體經(jīng)閥口噴出后，在閥芯的大反弧段發(fā)生主流與邊壁分離，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)過流流量，旋渦的形態(tài)仍然不變。該閥門在工作

8、中，由于旋渦帶的存在，必然會產(chǎn)生較激烈的振動，尤其是閥芯反弧段上的旋渦帶，影響更大，由于高速紊動流體的隨機(jī)脈動，必然要引起旋渦區(qū)真空度的脈動，這一脈動壓力直接作用在閥芯上，引起閥芯的振動，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(gè)很重要的振源，而且這一旋渦帶還可能引起閥芯的空蝕破壞。2.1.5 ZL-5型 顯示明渠逐漸擴(kuò)散、單圓柱繞流、多圓柱繞流及直角彎道等流段的流動圖像。圓柱繞流是該型演示儀的特征流譜。 由顯示可見，單圓柱繞流時(shí)的邊界層分離狀況、分離點(diǎn)位置、卡門渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過程以及多圓柱繞流時(shí)的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜，現(xiàn)分述如下：（1

9、）駐滯點(diǎn) 觀察流經(jīng)前駐滯點(diǎn)的小氣泡，可見流速的變化由V00Vmax，流動在駐滯點(diǎn)上明顯停滯。（2）邊界層分離 結(jié)合顯示圖譜，說明邊界層、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)概念并觀察邊界層分離現(xiàn)象，邊界層分離后的回流形態(tài)以及圓柱繞流轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置。 邊界層分離將引起較大的能量損失。結(jié)合漸擴(kuò)段的邊界層分離現(xiàn)象，還可說明邊界層分離后會產(chǎn)生局部低壓，以致于有可能出現(xiàn)空化和空蝕破壞現(xiàn)象。如文丘里管喉管出口處。 （3）卡門渦街 圓柱的軸線與來流方向垂直。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(Von karman)渦街。對卡門渦街的研究，在工程實(shí)際中有很重要的意義

10、。每當(dāng)一個(gè)旋渦脫離開柱體時(shí)，根據(jù)湯姆遜(Thomson)環(huán)量不變定理，必然在柱體上產(chǎn)生一個(gè)與旋渦所具有的環(huán)量大小相等方向相反的環(huán)量，由于這個(gè)環(huán)量使繞流體產(chǎn)生橫向力，即升力。注意到在柱體的兩側(cè)交替地產(chǎn)生著旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，因此柱體上的環(huán)量的符號也交替變化，橫向力的方向也交替地變化。這樣就使柱體產(chǎn)生了一定頻率的橫向振動。若該頻率接近柱體的自振頻率，就可能產(chǎn)生共振，為此常常需要采取一些工程措施加以解決。4）多圓柱繞流廣泛應(yīng)用于熱工中的傳熱系統(tǒng)的“冷凝器”及其他工業(yè)管道的熱交換器等，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

11、。另外，對于高層建筑群，也有類似的流動圖像，即當(dāng)高層建筑群承受大風(fēng)襲擊時(shí)，建筑物周圍也會出現(xiàn)復(fù)雜的風(fēng)向和組合氣旋，即使在獨(dú)立的高建筑物下游附近，也會出現(xiàn)分離和尾流。這應(yīng)引起建筑師的重視。2.1.6 ZL-6型 顯示明渠漸擴(kuò)、橋墩形鈍體繞流、流線體繞流、直角彎道和正、反流線體繞流等流段上的流動圖譜。 橋墩形柱體繞流 ：該繞流體為圓頭方尾的鈍形體，水流脫離橋墩后，形成一個(gè)旋渦區(qū)尾流，在尾流區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生旋向相反且不斷交替的旋渦，即卡門渦街。與圓柱繞流不同的是，該渦街的頻率具有較明顯的隨機(jī)性。 該圖譜主要作用有二：（1）說明了非圓柱體繞流也會產(chǎn)生卡門渦街；（2）對比觀察圓柱繞流和鈍體繞流可見：前者渦街頻

12、率f在雷諾數(shù)Re不變時(shí)它也不變；而后者，即使Re不變f卻隨機(jī)變化。由此說明了為什么圓柱繞流頻率可由公式計(jì)算，而非圓柱繞流頻率一般不能計(jì)算的原因。流線形柱體繞流：這是繞流體的最好形式，流動順暢，形體阻力最小。對比正、反流線體流動可見，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。2.2 實(shí)驗(yàn)流程三、演示操作演示時(shí)，啟動水泵，調(diào)節(jié)總水路的水流量。裝備提供6塊不同繞流體的演示板，可隨意選擇其中一塊或同時(shí)使用幾塊進(jìn)行試驗(yàn)。利用各分路上的水量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量，文丘里處的針型閥調(diào)節(jié)好氣泡大小(不同板對比實(shí)驗(yàn)時(shí)氣泡大小要盡可能一致)，比較流體流過不同繞流體的流動情況。主要的試教板結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要模擬流體流經(jīng)孔板、列管換熱器管子排列方式、換熱器擋板結(jié)構(gòu)、圓柱體、流線休、直角彎頭、變截面通道等繞流體的流動情況?？梢杂^察到流體流經(jīng)繞