實(shí)驗(yàn)技能課實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。實(shí)驗(yàn)1-7畢托管的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原理在理想不可壓流體中,畢托管測速的理論公式為:此式表明:知道了流場中的總壓()和靜壓(),其壓差即為動壓;由動壓,可算出流體速度。畢托管的頭部一般為半球形或半橢球形。直徑應(yīng)選用(為被測流體管道的內(nèi)徑總壓孔開在頭部的頂端),孔徑為0.3d。靜壓孔開在距頂端(3～5)d處,距支柄(8～10)d的地方,一般為8個均勻分布的小孔(NPL為7孔)?？倝号c靜壓分別由兩個細(xì)管引出,再用膠皮管連接到微壓計上,即可測出動壓,從而可計算出流速。圖1畢托管測速原理圖若要測量流場中某一點(diǎn)的速度,需將畢托管的頂端置于該點(diǎn),并使總壓孔正對來流方向,經(jīng)過微壓計就能得到該點(diǎn)的動壓。在來流是空氣的情況下,有,(是空氣的密度,是微壓計中工作液體的重度,是微壓計的讀數(shù))?？墒怯捎谡承约爱呁泄芗庸さ仍?不是正好滿足的,需要進(jìn)行修正。根據(jù)1973年英國標(biāo)準(zhǔn)BS-1042:Part2A1973的定義:C－畢托管系數(shù)。所謂畢托管標(biāo)定,就是要把C的數(shù)值經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定下來。標(biāo)定畢托管一般是在風(fēng)洞中進(jìn)行的,要求:(1)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流均勻,湍流度小于0.3％;(2)畢托管的堵塞面積小于實(shí)驗(yàn)段截面積的1/200;(3)畢托管插入深度h>2nd(n=8,d為畢托管直徑);(4)安裝偏斜角小于2o;(5)以d為特征長度的雷諾數(shù)必須大于250;(6)最大風(fēng)速不能超過(是空氣動力粘度,為靜壓孔直徑)。這幾點(diǎn)如能得到滿足,C就決定于畢托管的結(jié)構(gòu),此時稱為畢托管的基本系數(shù)。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室從英國進(jìn)口了一支經(jīng)過標(biāo)定的NPL畢托管,C=0.998。畢托管進(jìn)行標(biāo)定時,將待標(biāo)定的畢托管 與NPL標(biāo)準(zhǔn)管安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的適當(dāng)位置上(總的原則是讓兩支管處于同一均勻氣流區(qū))因?yàn)槭蔷鶆蛄?則有上面兩式中,、、均是同一的。兩式相除,得則上式是畢托管標(biāo)定的基本公式。一般是在10個不同風(fēng)速下測量其取其平均值;也能夠用10種不同風(fēng)速下的和按最小二乘法求其基本系數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備低速回流風(fēng)洞。NPL標(biāo)準(zhǔn)畢托管,待標(biāo)定畢托管。鐘罩式精密微壓計。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笠笥盟o實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,設(shè)計一套標(biāo)定畢托管的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案,畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖并連接實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)過本實(shí)驗(yàn),達(dá)到以下目的:了解畢托管測速原理及標(biāo)定方法。學(xué)會求出畢托管基本系數(shù)的方法。實(shí)驗(yàn)裝置圖圖2畢托管標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置圖問題討論與思考畢托管測速的基本原理是什么?實(shí)驗(yàn)前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作?影響畢托管系數(shù)的因素有哪些?討論產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。如何提高用畢托管測速的精度?

實(shí)驗(yàn)2-5低速風(fēng)洞調(diào)速一、實(shí)驗(yàn)原理天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室低速風(fēng)洞為閉口回流式風(fēng)洞,是天津大學(xué)力學(xué)系應(yīng)用力學(xué)教研室的老師們于上世紀(jì)六十年代初在張國藩校長的帶領(lǐng)下克服重重困難,自行設(shè)計建造的,風(fēng)洞于1964年建成并投入使用。十年浩劫中,風(fēng)洞歷經(jīng)劫難,險些被毀。改革開放以后,風(fēng)洞在流體力學(xué)教學(xué)和科研中發(fā)揮重要作用,為流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和建設(shè)立下汗馬功勞。該風(fēng)洞主要由實(shí)驗(yàn)段、收縮段、擴(kuò)散段、穩(wěn)定段、風(fēng)扇整流系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)和控制系統(tǒng)等部分組成。常見風(fēng)速是(2～40)米/秒,由22千瓦的三相異步電機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)段截面為切角的矩形(形似八角形),寬0.8米,高0.6米,其長度為1.5米。整座風(fēng)洞占地面積約為11×圖2-5-1天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室低速回流式風(fēng)洞電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)是經(jīng)過SVF－303變頻器來控制的,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流速度的改變。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)過數(shù)字式轉(zhuǎn)速表測量,實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速則用畢托管測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:風(fēng)速與單位時間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)之間為線性關(guān)系,即電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的高低,反映實(shí)驗(yàn)段氣流速度的高低,而且一一對應(yīng)。根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS－1042:part2A1973的定義,流速 (a)式中 U—流速,m/s P—畢托管測出的差壓,N/m2 —?dú)饬髅芏?kg/m3 C—畢托管系數(shù),現(xiàn)用NPL標(biāo)準(zhǔn)畢托管,C＝0.998。因?yàn)槭蔷_測量,要考慮空氣密度的變化。由完全氣體的狀態(tài)方程 P＝RT當(dāng)空氣從某一狀態(tài)P0、0、T0變化到另一狀態(tài)P、、T,則由P0＝R0T0和P＝RT可得 (b)選取標(biāo)準(zhǔn)大氣為已知狀態(tài),即取 (c)設(shè)測壓計工作液體是水,則 (d)將(b)、(c)、(d)代入(a),經(jīng)整理得到即為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流速度計算的實(shí)用公式。式中 B—當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮?mmHg t—?dú)饬鞯臏囟?℃ h—測壓計讀出的差壓,mmH2O近似估計時,可用在導(dǎo)出上述公式時,是用環(huán)境壓力(大氣壓)代替實(shí)驗(yàn)段靜壓進(jìn)行計算的。對于我們的風(fēng)洞,兩者差別不到10mmH2O,對速度的影響小于萬分之四,因此對于一般性試驗(yàn),作這樣的處理是完全允許的。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、掌握低速回流式風(fēng)洞基本構(gòu)造和主要部件的功能;2、理解風(fēng)洞變頻調(diào)速原理,學(xué)會開風(fēng)洞;3、學(xué)會用熱線風(fēng)速儀和TSI-1210-T1.5單絲熱線探針測量風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的平均速度;4、學(xué)會用畢托管測量風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流平均流速;5、了解畢托管測速和熱線測速之間的差異及其產(chǎn)生的原因;6、學(xué)會用轉(zhuǎn)速表測量電機(jī)轉(zhuǎn)速;7、了解天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室低速回流式風(fēng)洞的建造歷史。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1、低速回流風(fēng)洞;2、IFA300恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀;3、TSI1210-T1.5單絲熱線探針;4、三維步進(jìn)電機(jī)控制坐標(biāo)架;5、計算機(jī)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件;6、畢托管;7、補(bǔ)償式微壓計;8、氣壓計;9、溫度計;10、數(shù)字式轉(zhuǎn)速表。四、實(shí)驗(yàn)裝置圖2-5-2 1.轉(zhuǎn)速表 2.計算器 3.微壓計 4.氣壓表 5.畢托管 A.穩(wěn)定段 B.收縮段 C.實(shí)驗(yàn)段 D.擴(kuò)散段 E.回流段 F.拐角導(dǎo)流片 G.風(fēng)扇整流系統(tǒng) H.電機(jī)五、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、做好準(zhǔn)備工作。如打開儀器電源開關(guān)、預(yù)熱、微壓計調(diào)零、檢查風(fēng)洞和電機(jī)以確保安全,參加實(shí)驗(yàn)人員分工等。2、開啟風(fēng)洞,將電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)到能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最小轉(zhuǎn)數(shù),作為實(shí)驗(yàn)的起始狀態(tài),待穩(wěn)定后,記下此時的轉(zhuǎn)數(shù)、微壓計讀數(shù)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的氣流溫度。3、按需要增大電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),待穩(wěn)定后記錄上述三項數(shù)據(jù),如此直到允許的最大轉(zhuǎn)數(shù)為止。4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況決定是否需要重復(fù)試驗(yàn)。5、停止風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn),整理有關(guān)儀器。6、將大氣壓強(qiáng)、氣流溫度、微壓計讀數(shù)代入流速計算公式計算,這一工作可事先編好程序,用計算器(或計算機(jī))來完成。7、編寫實(shí)驗(yàn)報告。六、問題討論與思考1、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段氣流速度與電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)之間存在什么關(guān)系?為什么?2、實(shí)驗(yàn)段氣流溫度變化怎樣?原因是什么?如何減緩實(shí)驗(yàn)段氣流溫升?3、實(shí)驗(yàn)段氣流溫度變化對畢托管測速和熱線測速影響如何?4、試分析畢托管測速和熱線測速結(jié)果有何差異?原因是什么?

實(shí)驗(yàn)1-10圓出口自由射流的流動顯示=1\*CHINESENUM3一、實(shí)驗(yàn)原理 流體從噴管中噴出后,不但沿噴管軸線方向運(yùn)動,還會發(fā)生劇烈的橫向運(yùn)動使得射流與原來靜止的流體不斷摻混,進(jìn)行質(zhì)量與動量交換,從而帶動周圍的靜止流體一起運(yùn)動。觀察自由射流的瞬時流動,能夠看到瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)是極不規(guī)則的(如圖1所示)。圖1圓出口自由射流瞬態(tài)不規(guī)則流動結(jié)構(gòu)由于激光的亮度高,方向性好,因此能夠用作流動顯示的光源,得到的流動圖像清晰度高。而流場顯示和測量經(jīng)常需要在某個特殊截面上進(jìn)行,如對流場中的渦和湍流量的觀察,這就需要照明光源呈薄平片狀。而激光器直接發(fā)出的激光是一個發(fā)散的光斑,如果在激光器輸出端加上片光源,激光束就能夠透過柱型透鏡而改變激光束的形狀,成為一個平面內(nèi)的光束,這樣的平面光照在流場中,近似代表了一個平面上的流場運(yùn)動狀態(tài)。圖2激光片光源顯示的圓出口自由射流縱向截面為了增強(qiáng)顯示效果,需要在流場中投放適當(dāng)?shù)牧Ｗ?粒子的大小和濃度要達(dá)到觀察或拍攝所需的散射光強(qiáng)度,而且粒子能夠跟蹤當(dāng)?shù)乜臻g流場的流動速度,這樣用高速攝像機(jī)或數(shù)字式CCD能夠拍攝到一定時間段內(nèi)某流場平面內(nèi)的流動狀態(tài)。家用加濕器能夠產(chǎn)生大量的液體微粒,這些粒子的大小比較均勻,濃度也很高,在激光束照射下,散射性能較好,使得流動圖像能夠滿足觀察和分析的要求,同時微粒質(zhì)量較輕,從加濕器出口射出后能夠代表當(dāng)?shù)氐牧魉?形成一個典型的射流場。將激光片光源和加濕器結(jié)合起來,完全能夠?qū)崿F(xiàn)對典型射流場的流動顯示,經(jīng)過改變加濕器出口的噴嘴形狀,能夠改變射流的方向,這樣能夠很容易地對射流的徑向和軸向截面(如圖3所示)進(jìn)行觀察或紀(jì)錄。=2\*CHINESENUM3二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1、激光片光源2、加濕器3、射流風(fēng)洞4、發(fā)煙機(jī)5、坐標(biāo)架6、相機(jī)、高速攝像機(jī)或數(shù)字式CCD實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笠笥盟o實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,設(shè)計圓出口自由射流流動顯示的實(shí)驗(yàn),拍攝出清晰的圓出口自由淹沒射流縱向和橫向瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)圖像,經(jīng)過數(shù)字圖像處理技術(shù),測量射流核心區(qū),射流極點(diǎn)、射流擴(kuò)散角及初始段長度等流場特征量。經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)達(dá)到以下目的:用流動顯示的方法直觀、形象地認(rèn)識圓形出口射流流場及瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)發(fā)展、演化的特征,了解圓形出口與加齒圓形出口射流從層流、擾動失穩(wěn)、轉(zhuǎn)捩、到發(fā)展為湍流的過程;熟練掌握用相機(jī)、高速攝像機(jī)或數(shù)字式CCD拍攝記錄流動圖像的技術(shù);掌握流動圖像分幀、濾波去噪等圖像預(yù)處理技術(shù);了解激光片光源在流動顯示中的作用;了解示蹤粒子在流動顯示中的作用;了解圓出口自由射流流場的瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)特征;掌握定量測量射流核心區(qū),射流極點(diǎn)、射流擴(kuò)散角及初始段長度等流場特征量的數(shù)字圖像處理技術(shù);四、問題討論與思考拍攝曝光時間和曝光量與哪些因素有關(guān),如何設(shè)置曝光時間、曝光量和拍攝模式能夠得到最佳效果的圖像?為了清晰拍攝圓出口自由射流瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程,對高速攝像機(jī)或數(shù)字式CCD的時間分辨率有何要求?如不滿足上述要求,對拍攝的效果會有何影響?為了清晰拍攝圓出口自由射流瞬態(tài)流動不規(guī)則結(jié)構(gòu),對高速攝像機(jī)或數(shù)字式CCD的空間像素分辨率有何要求?對于用CCD拍攝的流動圖像,如何得到定量的速度及渦量分布?

實(shí)驗(yàn)1-11用畢托管測量自由射流平均速度剖面一、實(shí)驗(yàn)原理射流(如圖1所示)是工程中廣泛存在的流體流動形式,有著很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,工程技術(shù)中的大量問題與射流密切相關(guān)。射流中復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)來源于射流邊界與周圍環(huán)境的強(qiáng)剪切作用。例如,內(nèi)燃機(jī)中霧化燃料和空氣的混合物從噴嘴射入燃燒室并點(diǎn)火燃燒就是射流,隨著人們環(huán)保意識的日益提高,如何提高霧化燃料和空氣的混合燃燒效率,降低尾氣排放,以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境;在化工領(lǐng)域,很多化學(xué)反應(yīng)都是在射流過程中完成的,控制射流邊界,增強(qiáng)卷吸混合效果能夠加快化學(xué)反應(yīng)速度,提高物料混合和傳熱、傳質(zhì)效率;在航空航天領(lǐng)域,射流的智能控制能夠有效地提高推力矢量的精度,提高飛行器的機(jī)動性能。非圓型出口射流控制是進(jìn)行射流被動控制的有效技術(shù),以不用花太大的代價,僅靠改變射流出口的幾何形狀就能夠顯著改進(jìn)以射流及其瞬態(tài)流動結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化過程,增強(qiáng)射流與環(huán)境流體的混合。在鉆井過程中,在鉆頭上合理配置多個非對稱加齒出口的高壓泥漿射流,利用產(chǎn)生的非對稱壓力和剪切力能夠有效提高鉆井的速度和效率。一般可認(rèn)為射流在噴口處平均速度是均勻分布,流體從噴管中噴出后,不但沿噴管軸線方向運(yùn)動,還會發(fā)生劇烈的橫向運(yùn)動使得射流與原來靜止的流體不斷摻混,進(jìn)行質(zhì)量與動量交換,從而帶動周圍的靜止流體一起運(yùn)動。離噴口越遠(yuǎn),被帶動的質(zhì)量越多,隨著離噴口的距離增大,各截面上的速度分布逐漸改變,故射流呈擴(kuò)散狀。xxcscu01/2u0ur0.5RRcrU0R0α1αO主體段初始段h0u0=U0s圖1圓出口自由淹沒射流平均流場示意圖二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1、空氣動力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)裝置(或低速射流風(fēng)洞)在本實(shí)驗(yàn)中采用VEB型小型吹入式直流射流風(fēng)洞作為湍射流的發(fā)生裝置,如圖2所示。該射流風(fēng)洞由軸流風(fēng)扇動力系統(tǒng)、前直管段、兩級收縮段以及直管噴口等幾部分組成。其噴口直徑D為80mm,出口流速在0～30m/s之間連續(xù)可調(diào)。圖2.VEB型小型吹入式直流射流風(fēng)洞2、畢托管3、微壓差計4、小型坐標(biāo)架三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笠笥盟o實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,設(shè)計測量圓出口自由淹沒射流各橫截面上平均流速空間分布的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案,畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖并連接實(shí)驗(yàn)裝置。要求經(jīng)過本實(shí)驗(yàn),測出x＝2d,4d,6d各截面上的速度分布曲線;確定射流核心區(qū),射流極點(diǎn)、射流擴(kuò)散角及初始段長度等。繪出各橫截面上平均速度分布曲線(如圖3所示)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)達(dá)到以下目的:1、學(xué)會用畢托管測量氣流的平均速度;2、了解軸對稱或矩形自由射流平均流速空間分布規(guī)律;3、經(jīng)過各射流截面流速分布測量確定射流核心區(qū)。圖4圓射流0—7D各截面的流向速度剖面分布四、實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)及公式空氣溫度t＝℃;大氣壓強(qiáng)Pa＝mmHg;噴口直徑(寬度b)d＝mm;流速計算公式(m/s)射流擴(kuò)散角噴口半徑xT—轉(zhuǎn)折截面至射流極點(diǎn)距離五、問題討論與思考1、軸對稱射流為什么呈喇叭形?2、射流各截面的流量是否相等?3、射流邊界上流體速度是否為零?

實(shí)驗(yàn)2-1單絲熱線探針的標(biāo)定一、實(shí)驗(yàn)原理1、熱線測速原理熱線測量流速技術(shù)起源于二十世紀(jì)初,是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步的一個里程碑,它使流體力學(xué)研究者獲得了測量高頻非定常流動特別是湍流的有力工具。在流場中放置經(jīng)過電流加熱的金屬細(xì)絲敏感組件時,由于電流的熱效應(yīng),金屬絲會產(chǎn)生一定的熱量,如果金屬絲與周圍環(huán)境流體存在溫差,它與周圍流場就存在熱交換過程,如果周圍環(huán)境流體處于流動狀態(tài),熱交換過程就以強(qiáng)迫對流為主,熱線與周圍環(huán)境流體的溫差和流體的流速決定了強(qiáng)迫對流輸運(yùn)的熱量。當(dāng)熱線與周圍流體介質(zhì)之間的熱交換處于平衡狀態(tài)時,電流加給熱線的熱量應(yīng)與強(qiáng)迫對流輸運(yùn)的熱量相等。周圍環(huán)境流體流速的變化會導(dǎo)致強(qiáng)迫對流輸運(yùn)的熱量變化,從而引起電流加給熱線的熱量的累積或虧損,進(jìn)而引起敏感組件的溫度變化和其電阻的變化。根據(jù)熱平衡原理,任何時候熱線由于溫度升高所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流速上升所耗散掉的熱量;反之,任何時候熱線的溫度降低所損失的熱量應(yīng)該等于流速降低所積累的熱量。當(dāng)加熱電流保持恒定時,這種變化表現(xiàn)為熱線兩端輸出電壓的變化;當(dāng)利用負(fù)反饋電路補(bǔ)償電阻變化使電阻保持恒定時,表現(xiàn)為熱線電流的變化和熱線兩端輸出電壓的變化。這兩種情況都能夠建立起流體速度與熱線兩端輸出電壓的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。這樣就能夠經(jīng)過測量熱線兩端輸出電壓確定環(huán)境流體的速度,這就是熱線測速原理。在熱平衡過程中,涉及到流速、加熱電流和熱線溫度(或電阻)三個基本量,它們之間有一定的對應(yīng)關(guān)系:當(dāng)加熱電流保持恒定時,熱線溫度(或電阻)和流體流速之間建立了確定的函數(shù)關(guān)系,利用這個關(guān)系測量流速的方法稱之為恒流法;當(dāng)保持熱線溫度(或電阻)恒定時,熱線的電流和流體流速之間建立了確定的函數(shù)關(guān)系,利用這個關(guān)系測量流速的方法稱之為恒溫法。根據(jù)上述兩種不同原理制成的測速儀分別稱為恒流式測速儀和恒溫式測速儀。恒溫?zé)峋€測速儀具有熱慣性小,頻響寬等特點(diǎn)。當(dāng)前其頻響已超過500千赫茲,完全滿足湍流中出現(xiàn)的各種頻率成份的需要。而恒流式熱線測速儀缺乏恒溫式測速儀的上述特點(diǎn),它的熱慣性效應(yīng)比恒溫式測速儀大得多,電子補(bǔ)償也較困難,不過它在測量溫度脈動和低湍流度上仍有很大的優(yōu)越性。在忽略熱傳導(dǎo)(熱絲長徑比在100以上),熱輻射(輻射散熱面積小)和自由對流(風(fēng)速大于10cm/s)的情況下,熱耗散主要取決于強(qiáng)迫對流。在假設(shè)熱線是無限長,熱損耗率僅決定于垂直于熱線的速度分量時,上述熱平衡原理可表示成King公式: (1)其中:——加到熱線上的電流,——熱線電阻, ——熱線溫度,——?dú)饬鳒囟?——?dú)饬魉俣?、是與流體和熱線有關(guān)的物理常數(shù)。這個假設(shè)只有在層流流過放置在均勻且未受擾動的流場中的無限長的柱體時才是準(zhǔn)確的。由熱線電阻與其溫度之間的關(guān)系:(2)其中:——溫度時熱線電阻 ——熱線材料的電阻溫度系數(shù)將(5-2)代入(5-1)得: (3)兩端同乘有:(4)那么,(5-4)式能夠表示成(5)其中,,由于熱線探針是經(jīng)過電壓(E)與流速(U)的關(guān)系曲線來確定流速的,因而準(zhǔn)確地給出E—U關(guān)系是測速的前提。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)求得E—U關(guān)系的過程,稱之為熱線探針的校準(zhǔn)。另一方面,探針性能受其材料、制造工藝、幾何尺寸、流體的物理性質(zhì)、環(huán)境參數(shù)、與儀器的配合使用等多因素的影響,因此對每一支探針,在使用前都需要做校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。校準(zhǔn)工作在校準(zhǔn)器上完成。固定探針時要求熱線與噴嘴中心線垂直,到噴口距離為1/2噴口直徑。校準(zhǔn)能夠有兩種姿態(tài)?！盓ndFlow”——即噴口中心線與探針支桿方向一致,與”CrossFlow”——即噴口中心線與探針支桿垂直,如圖2-1-1圖2-1-1探針姿態(tài)示意圖2、壓差與速度的關(guān)系將微壓計的高壓輸入端與校準(zhǔn)器儲氣室測壓孔用導(dǎo)管連接,低壓端與環(huán)境大氣相通。利用壓差與流速的對應(yīng)關(guān)系能夠得到速度值。對于不可壓流體(流速小于100m/s),列出測壓孔(位置1)和噴嘴所在斷面(位置2)的伯努利方程,(6)y1≈y2,再由微壓計兩端的壓差關(guān)系,可得:(7)其中,U是氣流速度,是空氣的密度,是水的密度,Δh是微壓計計數(shù),單位是mmH2O。輸入環(huán)境參數(shù)與壓差后,恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀將按照公式自動計算出相應(yīng)的速度值。二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1、熱線探針單絲熱線探針是測量流體一維速度分量的傳感器,分為普通單絲熱線探針(如圖2-1-2所示,型號TSI1210-T1.5)和邊界層單絲熱線探針(如圖2-1-3所示,型號TSI1211-T1.5測量近壁區(qū)域的一維速度分量)兩種。圖2-1-2TSI1210-T1.5單絲熱線探針圖2-1-3TSI1211-T1.5單絲邊界層熱線探針2、IFA-300恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀IFA(IntelligenceFlowAnalysis)300恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀(如圖2-1-4所示)是天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室于1999年從TSI公司購進(jìn)的1997年產(chǎn)品,用于湍流的實(shí)驗(yàn)測量。該設(shè)備從熱線標(biāo)定到數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理都能夠經(jīng)過IFA300Thermalpro軟件實(shí)現(xiàn)。TSI的新型IFA300恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀是一種計算機(jī)控制的具有自動頻率最佳化功能的熱線熱膜風(fēng)速儀,允許風(fēng)速儀連續(xù)地感受流動速度并自動地調(diào)整風(fēng)速儀,能夠?qū)崟r地實(shí)現(xiàn)最佳化頻率響應(yīng)。圖2-1-4IFAIFA300恒溫式熱線風(fēng)速儀的主要特點(diǎn)是:1.原理:采用閉環(huán)電橋反饋控制;2.自動頻率最佳化功能:采用最佳化電橋補(bǔ)償,能夠?qū)λ袦y量速度自動、實(shí)時地最佳化,不需要做方波試驗(yàn),操作十分簡單方便;3.頻率響應(yīng)(熱線):,電橋。對湍流和高速流能精確的測量;4.電阻測量和工作電阻調(diào)節(jié):自動測量和調(diào)節(jié)敏感元件的電阻、工作溫度;5.最大工作電阻:,工作在一個很寬的敏感元件變化范圍;6.精度:7.最大探針電流:,電橋,可在水探針、高速流、高溫流中工作;8.探針電纜長度:或;9.等效放大器輸入噪聲:低等效湍流強(qiáng)度;10.放大器輸入漂移:;本實(shí)驗(yàn)用的IFA300恒溫式熱線風(fēng)速儀有個通道。如果用一個通道,其采樣頻率可設(shè)至,使用兩通道時其頻率可設(shè)為,使用三通道其頻率可設(shè)為。就其采樣頻率而言完全能滿足湍流測量要求,而且對采集到的數(shù)據(jù)圖像能夠?qū)崟r顯示。3、TSI1128A本實(shí)驗(yàn)中使用的單絲熱線探針是由實(shí)驗(yàn)室的TSI-10170型電焊設(shè)備焊接的,因此在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定。TSI-1128A型熱線風(fēng)速校準(zhǔn)器可提供流速在0~50m/s之間連續(xù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)流場,以標(biāo)定單絲、雙絲或三絲熱線探針。熱線探針校準(zhǔn)器提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的射流流場用于標(biāo)定熱線探針,圓射流噴口直徑為D=10mm,其校準(zhǔn)裝置示意圖如圖2-1-5所示。將它與IFA300相連,可實(shí)現(xiàn)熱線探針的標(biāo)定。校準(zhǔn)器(如圖2-1-系數(shù)、、、、經(jīng)過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定。圖2-1-8和圖2-1-9為IFA300恒溫式熱線風(fēng)速儀對TSI-1210T1.5型單絲熱線探針進(jìn)行標(biāo)定得到的電壓—流速曲線。圖2-1-5校準(zhǔn)設(shè)備裝置圖圖2-1-6熱線探針校準(zhǔn)器圖2-1-7空氣壓縮機(jī)圖2-1-8三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笠笥盟o實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖并連接實(shí)驗(yàn)裝置,按照操作步驟進(jìn)行單絲熱線探針標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過本實(shí)驗(yàn),達(dá)到以下目的:1、了解熱線測速的基本原理;2、掌握單絲熱線探針的標(biāo)定方法;3、掌握TSI-1128A型熱線探針校準(zhǔn)器的使用方法。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、按實(shí)驗(yàn)裝置圖布置好儀器,將熱線探針支桿固定在坐標(biāo)架上。正確連接電纜,將熱線探針專用電纜一端與熱線探針支桿連接,另一端與熱線風(fēng)速儀連接,用通訊電纜將熱線風(fēng)速儀與計算機(jī)com1通訊口連接,熱線風(fēng)速儀輸出電纜與計算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡(A/D卡)連接。2、調(diào)整微壓計水平儀和零刻度,用軟管連接微壓計和校準(zhǔn)器的測壓孔。3、記錄下環(huán)境壓強(qiáng)和溫度,檢查熱線風(fēng)速儀電源開關(guān),計算機(jī)電源開關(guān)均處于斷開位置,接通熱線風(fēng)速儀電源,計算機(jī)電源,開啟壓縮機(jī)。4、啟動熱線風(fēng)速儀測速軟件,進(jìn)入IFA300軟件界面,選擇”Calibration”下的”ProbeData”。點(diǎn)擊”O(jiān)penCalFile”,給待標(biāo)定探針命名,選擇相應(yīng)的參數(shù)?！盤robeType”選擇S——單絲熱線探針,”WireFilm”選擇W——熱線,”CalMethod”選擇2——獲得電壓與輸入壓差5、點(diǎn)擊”Read”,連接短路帽,測量電纜電阻并保存數(shù)值。移去短路帽,安裝好熱線探針,測量探針冷電阻。將探針冷電阻乘以1.5再加上線路電阻,結(jié)果輸入”O(jiān)prRes”欄。6、點(diǎn)擊”Gain&Offset”,轉(zhuǎn)動校準(zhǔn)器的流速調(diào)節(jié)閥,旋至合適的壓差值,分別測量最低及最高流速下的壓差值,計算輸出電壓的增益與偏置并保存。7、點(diǎn)擊”Calibrate”,輸入環(huán)境壓強(qiáng)與溫度。選擇計算速度時使用的壓差單位為”mmH2O”。調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥使斜管微壓計的讀數(shù)穩(wěn)定在給定的壓差值,輸入壓差,點(diǎn)擊”Acquire”測量此時探針的橋路電壓值。重復(fù)進(jìn)行,直至所有校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行完畢。8、點(diǎn)擊”Next”,觀察記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)。9、退出軟件,關(guān)閉整理好各儀器。10、繪制標(biāo)定曲線。五、問題討論與思考1、熱線測速的基本原理是什么?2、為什么要對熱線探針進(jìn)行校準(zhǔn)?3、流動方位對熱線探針的標(biāo)定有何影響?

實(shí)驗(yàn)2-3用熱線風(fēng)速儀測量自由射流平均速度分布一、實(shí)驗(yàn)原理自由淹沒射流是日常生活和生產(chǎn)過程中常見的流動現(xiàn)象,一般可認(rèn)為射流在噴口處平均速度是均勻分布,流體從噴管中噴出后,不但沿噴管軸線方向運(yùn)動,還會發(fā)生劇烈的橫向運(yùn)動使得射流與原來靜止的流體不斷摻混,進(jìn)行質(zhì)量與動量交換,從而帶動周圍的靜止流體一起運(yùn)動。離噴口越遠(yuǎn),被帶動的質(zhì)量越多,故射流呈擴(kuò)散狀(如圖2-3-1所示)。隨著離噴口的距離增大,各截面上的速度分布要改變。圖2-3-1二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、用熱線風(fēng)速儀和單絲熱線探針測量圓出口自由射流x=0d,1d,2d,3d,4d,5d,6d各截面上的流向平均速度,確定射流核心區(qū),射流極點(diǎn),射流擴(kuò)散角及初始段長度,了解軸對稱或矩形自由射流平均速度分布規(guī)律,經(jīng)過熱線測速認(rèn)識圓形出口自由射流平均流場的發(fā)展、演化特征。2、熟練掌握熱線測速技術(shù),學(xué)會用IFA300型熱線風(fēng)速儀和單絲熱線探針精細(xì)測量圓出口自由射流不同流向、徑向位置的平均速度。3、能夠編寫數(shù)據(jù)處理程序,計算圓出口自由射流各截面上的平均速度。4、能夠用繪圖軟件描繪圓出口自由射流各截面上的流向平均速度分布曲線和不同法向位置的流向平均速度沿軸向的演化曲線。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備射流風(fēng)洞;IFA300恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀;TSI1210-T1.5單絲熱線探針;三維步進(jìn)電機(jī)控制坐標(biāo)架;計算機(jī)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件。四、實(shí)驗(yàn)裝置圖2-3-2測量圓出口自由射流速度剖面實(shí)驗(yàn)裝置圖五、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、記錄基本實(shí)驗(yàn)參數(shù):氣溫、氣壓、噴口幾何參數(shù)d。2、連接實(shí)驗(yàn)裝置,將圓形噴嘴固定在射流風(fēng)洞出口上,將標(biāo)定好的熱線探針固定在探針支桿上,將熱線探針縮入保護(hù)套內(nèi),將熱線探針支桿固定在三維坐標(biāo)架上,記錄探針坐標(biāo)。3、將熱線探針專用電纜一端與熱線探針支桿連接,另一端與熱線風(fēng)速儀連接,用通訊電纜將熱線風(fēng)速儀與計算機(jī)com1通訊口連接,熱線風(fēng)速儀輸出電纜與計算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡(A/D卡)連接,用通訊電纜將三維步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)架控制器與計算機(jī)com2通訊口連接。4、檢查風(fēng)洞電源開關(guān),熱線風(fēng)速儀電源開關(guān),步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)架控制器電源開關(guān),計算機(jī)電源開關(guān)均處于斷開位置,接通風(fēng)洞電源,熱線風(fēng)速儀電源,步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)架控制器電源,計算機(jī)電源。調(diào)整坐標(biāo)架,使探針到達(dá)第一個測量點(diǎn)位置,調(diào)節(jié)風(fēng)洞至所需要的風(fēng)速。5、啟動熱線風(fēng)速儀測速軟件,進(jìn)入IFA_300軟件界面,調(diào)入測量點(diǎn)空間位置坐標(biāo)文件,調(diào)入熱線探針文件,調(diào)入三維步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)架驅(qū)動程序。6、選擇”Acquisition”下的”ProbeTable”,點(diǎn)擊”AddProbe”選取相應(yīng)的探針標(biāo)定文件。點(diǎn)擊”GetFile”,為實(shí)驗(yàn)記錄文件命名。點(diǎn)擊”Next”,在新窗口中輸入大氣壓?！盡ode”項選擇”WriteOnly”,指定每個測點(diǎn)測量的頻率與樣本點(diǎn)數(shù)。7、點(diǎn)擊”Acquire”,進(jìn)行空間逐點(diǎn)連續(xù)測量。8、結(jié)束實(shí)驗(yàn),將風(fēng)洞調(diào)至最低風(fēng)速,關(guān)閉風(fēng)洞電源,熱線風(fēng)速儀電源,步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)架控制器電源。卸下熱線探針放入探針盒中,將熱線探針支桿插入保護(hù)套內(nèi),整理儀器設(shè)備。9、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用IFA_300軟件將測量到的電壓信號轉(zhuǎn)換為速度信號。10、編寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理程序,計算各測點(diǎn)平均速度。描繪平均流場圖,如圖2-3-3所示,編寫實(shí)驗(yàn)報告。圖2-3-3圓射流0—7D各截面的流向速度剖面分布六、問題討論與思考射流各截面的質(zhì)量流量是否相等?射流邊界上流體速度是否永遠(yuǎn)為零?圓出口射流核心區(qū)長度與哪些因素有關(guān)?如何根據(jù)平均速度剖面測量圓出口射流核心區(qū)長度?如何確定射流中心線的位置?

實(shí)驗(yàn)1-16各種管道的流動顯示一、實(shí)驗(yàn)原理KL型流動顯示儀組成如圖一所示。圖1-16-1圖1-16-1結(jié)構(gòu)示意圖1彩色有機(jī)玻璃面罩2不同邊界的流動顯示面3加水孔4摻氣量調(diào)節(jié)閥5蓄水箱6電器、水泵室7可控硅無級調(diào)速旋鈕本儀器流程如圖1-2所示。圖1－16－2儀器工作流程圖二、實(shí)驗(yàn)演示內(nèi)容介紹1)ZL—1型(圖1-16在逐漸擴(kuò)散可看到由邊界層分離而形成的旋渦,且靠近上游喉頸處,調(diào)節(jié)流速時能夠看到流速越大,渦旋尺度越小,湍流強(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)散段局部水頭損失大于逐漸收縮段。在突然擴(kuò)大段出現(xiàn)較大的旋渦區(qū),而突然收縮只在死角處和收縮斷面的進(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時例外),而且突縮段的水頭損失主要發(fā)生在突縮斷面后部。由于本儀器突縮段較短,故其流譜亦可視為直角進(jìn)口管咀的流動圖象。在管咀進(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)。特別在彎道流中,流線彎曲更劇,越靠近彎道內(nèi)側(cè),流速越小。且近內(nèi)壁處,出現(xiàn)明顯的回流,所形成的回流范圍較大,將此與ZL—2(1-16-2)型中園角轉(zhuǎn)彎流動對比,直角彎道旋渦大,回流更加明顯。圖1－16－3顯示面過流道示意圖旋渦的大小和脈動強(qiáng)度與流速有關(guān)?？山?jīng)過流量調(diào)節(jié)觀察對比,例如流量減小,漸擴(kuò)段流速較小,其強(qiáng)度也較小,這時可看到在整個擴(kuò)散段有明顯的單個大尺度渦旋。反之,當(dāng)流量增大時,這種單個尺度渦旋隨之破碎,并形成無數(shù)個小尺度的渦旋,且流速越高,強(qiáng)度越大,旋渦越小,能夠看到,幾乎每一個質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。在突擴(kuò)段,也可看到旋渦尺度的變化。據(jù)此清楚表明:脈動強(qiáng)度越大,渦旋尺度越小,幾乎每一個質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。由于水質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)磨擦越厲害,水頭損失就越大。2)ZL—2型(圖1－16－3、2)顯示文丘里流量計、孔板流量計、園弧進(jìn)口管咀流量計以及壁面沖擊、園弧形彎道等串聯(lián)流道縱剖面上的流動圖象。由顯示可見,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。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,孔板流量計的過流阻力較大;園弧進(jìn)口管咀流量計入流順暢,管咀過流段上無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生;在園形彎道段,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。由上可了解三種流量計結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)及其用途。孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單,測量精度高,但水頭損失很大。作為流量計損失大是缺點(diǎn),但有時將其移作它用,例如工程上的孔板消能又是優(yōu)點(diǎn)。另外從型1或2的彎道水流觀察分析可知,在彎頭段測壓管水頭不按靜水壓強(qiáng)的規(guī)律分布,其原因:①離心慣性力的作用,②流速分布不均勻(外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小并產(chǎn)生回流)等所致。3)ZL—3型(圖1-16-3)顯示300彎頭、直角園弧彎頭、直角彎頭、450彎頭以及非自由射流等流段縱剖面上的流動圖象。由顯示可見,在每一轉(zhuǎn)彎的后面,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。在園弧轉(zhuǎn)彎段,流線較順暢。在非自由射流段,射流離開噴口后,不斷卷吸周圍的流體,形成射流的湍流擴(kuò)散。在此流段上還可看到射流的”附壁效應(yīng)”現(xiàn)象。(詳細(xì)介紹見ZL—7型)。4)ZL—4型(圖1-16-4)顯示300彎頭、分流、合流、450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,過流順暢,阻力小,半開時,尾渦脈動激烈,表明阻力大且易引起振動。蝶閥一般作檢修用,故只允許全開或全關(guān)。YF—溢流閥廣泛用于液壓傳動系統(tǒng)。其流動介質(zhì)一般是油,閥門前后壓差可高達(dá)315bar,閥道處的流速可高達(dá)每秒二百多米。本裝置流動介質(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)過流量,旋渦的形態(tài)基本不變,表明在相當(dāng)大的雷諾數(shù)范圍內(nèi),旋渦基本穩(wěn)定。該閥門在工作中,由于旋渦帶的存在,必然會產(chǎn)生較激烈的振動,特別是閥芯反弧段上的旋渦帶,影響更大,由于高速流體的湍流脈動,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。顯然這是一個很重要的振源,而且這一旋渦環(huán)帶還可能引起閥芯的空蝕破壞。另外,顯示還表明,閥芯的受力情況也不太好。為改進(jìn)閥門的性能提供了根據(jù)。5)ZL—5型(圖1-16-5)顯示明渠逐漸擴(kuò)散,單園柱繞流、多園柱繞流及直角彎道等流段的流動圖象。由顯示可見,單園柱繞流時的邊界層分離狀況,分離點(diǎn)位置、卡門渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過程以及多園柱繞流時的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜,現(xiàn)分述如下:(1)駐點(diǎn)觀察流經(jīng)前駐點(diǎn)的小氣泡,可見流速的變化由流動在駐點(diǎn)上明顯停滯(可說明能量的轉(zhuǎn)化及畢托管測速原理)。(2)邊界層分離可觀察邊界層轉(zhuǎn)捩點(diǎn)及邊界層分離現(xiàn)象。仔細(xì)觀察能夠看到邊界層分離后的回流以及園柱繞流轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置。(3)卡門渦街圓柱的軸與來流方向垂直。在圓柱的兩個對稱點(diǎn)上產(chǎn)生邊界層分離后,不斷交替地在兩側(cè)向下游發(fā)射出旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦,這些旋渦在圓柱后反對稱排列兩行形成卡門(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。每當(dāng)一個旋渦脫離開柱體時,根據(jù)湯姆遜(Thomson)環(huán)量不變定理,必須在柱體上產(chǎn)生一個與旋渦具有的環(huán)量大小相等方向相反的環(huán)量,由于這個環(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,因此柱體上環(huán)量的符號交替變化,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,為此常采用一些工程措施加以解決。(4)多園柱繞流,被廣泛用于熱工中的傳熱系統(tǒng)的”冷凝器”及其它工業(yè)管道的熱交換器等,流體流經(jīng)園柱時,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。另外,對于高層建筑群,也有類似的流動圖象,即當(dāng)高層建筑群承受大風(fēng)襲擊時,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。6)ZL—6型(圖1-16-6)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不規(guī)則性。由此說明:(1)非圓柱體繞流也會產(chǎn)生卡門渦街;(2)對比觀察園柱繞流和該鈍體繞流可見:前者渦街頻率f在Re不變時它也不變;而后者,即使Re不變f的變化也不規(guī)則。由此說明了為什么圓柱繞流頻率有確定的經(jīng)驗(yàn)公式,而非園柱繞流頻率一般沒有這樣的公式。流線形柱體繞流,這是繞流的最好形式,流動順暢,形體阻力最小。又從正、反流線體的對比流動可見,當(dāng)流線體倒置時,也會出現(xiàn)卡門渦街。因此,為使過流平穩(wěn),應(yīng)采用順流而放的園頭尖尾形柱體。7)ZL—7型(圖1-16-7)為”雙穩(wěn)放大射流閥”流動原理顯示儀。經(jīng)噴嘴噴出的射流(大信號)可附于任一側(cè)面,若先附于左壁,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。如果使射流再切換回來,只要再轉(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,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,較之電子自控元件有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。故在軍工等方面也有應(yīng)用。作為射流元件在自動控制中的應(yīng)用示例,ZL—7型還配置了液位自動控制裝置。圖四為a通道自動向左水箱加水狀態(tài)。左右水箱的是高水位由溢流板(中板)控制,最低水位由a1、b1的位置自動控制。其原理是:水泵啟動,本儀器流道喉管a2、b2處由于過流斷面較小,流速過大,形成真空。在水箱水位升高產(chǎn)生溢流,喉管a2、b2處所承受的外壓保持恒定。當(dāng)儀器運(yùn)行到如圖四狀態(tài)時,右水箱水位因b2處真空作用下抽吸而下降,當(dāng)液位降到b1小孔高程時,氣流則經(jīng)b1進(jìn)入b2,b2處升壓(a2處壓力不變),使射流切換到另一流道即a2一側(cè),b2處進(jìn)氣造成a2、a3間斷流,a3出口處的薄膜逆止閥關(guān)閉,而過流,b3出口處的薄膜逆止閥打開,右水箱加水。其過程與左水箱加水相同,如此往復(fù)循環(huán),十分形象地展示了射流元件自動控制液位的過程。射流元件在其它工控中亦有廣泛應(yīng)用。從中進(jìn)一步了解流體力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛性。這種裝置在連續(xù)流中可利用工作介質(zhì)直接控制液位。操作中還須注意,開機(jī)后需等1~2分鐘,待流道氣體排凈后再實(shí)驗(yàn)。否則儀器將不能正常工作。圖1－16－4射流元件示意圖上半圖為雙穩(wěn)放大射流閥;下半圖為雙水箱容器a1、b1、a3、b3容器后壁小孔分別是與孔a2、b2及畢托管取水咀a4、b4聯(lián)通。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備流動顯示掛圖四、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠼?jīng)