流體力學(xué)流動(dòng)演示實(shí)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(jiǎn)單勢(shì)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)裝置實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1.1。圖1.1 流線流譜實(shí)驗(yàn)裝置圖說(shuō)明：本實(shí)驗(yàn)裝置包括3種型號(hào)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(duì)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

2、流道等組成。1.3 實(shí)驗(yàn)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(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(yáng)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(guò)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(guò)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

3、析如下：1) 型演示儀。演示機(jī)翼繞流的流線分布。由流動(dòng)顯示圖像可見(jiàn)，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(guò)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(wú)交叉，從而驗(yàn)證流線不會(huì)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(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(duì)稱。這是因?yàn)榱魉俸艿停s0.51.0cm/s），能量損失極小，可以

4、忽略，其流動(dòng)可視為勢(shì)流，繞流流體可視為理想流體。因此，流譜與圓柱繞流勢(shì)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(duì)稱性不復(fù)存在，圓柱上游流譜不變而下游原來(lái)合二為一的有色線分開(kāi)，尾流出現(xiàn)，流動(dòng)由勢(shì)流變成渦流了。由此可知，勢(shì)流與渦流是性質(zhì)完全不同的兩種流動(dòng)。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(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(méi)有漩渦出現(xiàn)。當(dāng)適當(dāng)提高雷諾數(shù)后，經(jīng)過(guò)一定的起始段后，在突擴(kuò)處流線會(huì)脫離邊界，形成漩渦，從

5、而顯示實(shí)際流體的流動(dòng)圖譜。該演示儀也可說(shuō)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)，燈光亮，打開(kāi)水泵開(kāi)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(duì)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

6、性質(zhì)矛盾？不矛盾3) 根據(jù)流線的性質(zhì)及能量方程，說(shuō)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??；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(shì)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(guò)觀察各種流動(dòng)現(xiàn)象，加深理解局部阻力、繞流阻力、卡門(mén)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。圖2.1 流動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)裝置圖說(shuō)明：本實(shí)驗(yàn)裝置包括7種型號(hào)的流動(dòng)演示儀，由電源開(kāi)關(guān)、加水孔、摻氣量調(diào)節(jié)

7、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(guò)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。實(shí)驗(yàn)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(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(wú)邊界層分離，亦無(wú)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

8、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(guò)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(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(guò)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(wú)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)

9、，水頭損失增大。2) 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(guò)流順暢，流線順直，無(wú)邊界層分離和旋渦產(chǎn)生。孔板流量計(jì)的過(guò)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(jì)入流順暢，管嘴過(guò)流段上無(wú)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(jiàn)，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(jì)中，孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但水頭損失很大，在工

10、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(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。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(kāi)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) 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(guò)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

11、，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(kāi)時(shí)尾渦區(qū)較大，水頭損失也大。蝶閥全開(kāi)時(shí)過(guò)流順暢，阻力小，半開(kāi)時(shí)尾渦紊動(dòng)激烈，表明阻力大且易引起振動(dòng)。YF-溢流閥裝置顯示閥門(mén)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(mén)渦街產(chǎn)生。經(jīng)閥芯芯部流過(guò)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

12、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) 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，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(mén)渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)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(mén)渦街是指在圓柱的兩個(gè)對(duì)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(mén)“渦街”。通過(guò)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(lái)流方向相垂直的問(wèn)題。多圓柱繞流廣泛用于熱工傳熱系統(tǒng)的“

13、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) 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(dòng)圖譜。橋墩形鈍體繞流顯示：在尾流區(qū)也有卡門(mén)渦街現(xiàn)象，不過(guò)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(wèn)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

14、。從正反流線體的對(duì)比流動(dòng)可見(jiàn)：當(dāng)流線體倒置時(shí)也出現(xiàn)卡門(mén)渦街。因此，為使過(guò)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(dòng)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(pán)，使左氣道與圓盤(pán)氣孔相通時(shí)（通大氣）,因射流獲得左側(cè)的控制流（小信號(hào)），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(pán)，切斷氣流，射流穩(wěn)定于原通道不變。如要射流再切換回來(lái)，只要轉(zhuǎn)動(dòng)控制圓盤(pán)，使右氣道與圓盤(pán)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(hào)（氣流），便能夠輸出一個(gè)大信號(hào)（射流），并能把脈

15、沖小信號(hào)保持記憶下來(lái)。由演示所見(jiàn)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(mén)”、 “非門(mén)”、“或非門(mén)”等各種射流元件，并可把它們組成自動(dòng)控制系統(tǒng)或自動(dòng)檢測(cè)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(shì)。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(dòng)后，流道喉管、處由于過(guò)流斷面較小，流速過(guò)大，形成真空。當(dāng)喉管、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)水箱水位因處真空作用下抽吸而下降，同時(shí)，過(guò)流，出口處的薄膜逆止閥打開(kāi)，左水箱加水。當(dāng)右水箱液位下降到小孔高程時(shí)，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(shí)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(guò)流，出口處的薄膜逆止閥打開(kāi)，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(guò)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(guò)流段上，有不同形態(tài)的旋渦出現(xiàn)。合流渦旋較為典