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流动现象演示仪说明书
编辑:admin   时间:2018-05-12 16:34

一、实验目的
⒈观察各种几何边界条件下产生的旋涡现象,搞清旋涡产生的原因与条件。
⒉通过对各种边界下旋涡强弱的观察,分析比较局部损失的大小。
⒊观察绕流现象、分离点及卡门涡街现象。
4. 清晰、鲜明的显示出流体在特定边界流场中流动的多种流动图谱,为了解、设计、改进流道和设计流体元器件提供直接根据。
二、实验原理
流经固体边界的水流,当达到一定雷诺数时,由于固体边界的形状大小突然发生变化,在惯性的作用下,就会出现主流与边界分离而产生旋涡的现象,如突然缩小、突然扩大、孔板等。水流在这些突变的边界处形成局部水流阻力,能量损失较大。在旋涡范围内,水流常表现为高度紊乱并伴随有剧烈摩擦、分裂和撞击作用,部分水流运动的连续性遭受破坏,出现明显的主流与固体边界脱离,从而导致大尺度旋涡的产生。
水流绕物体(如闸墩、圆柱等)的流动称为绕流。在绕流中有两种阻力作用于物体上:一是摩擦阻力,它是由水流的粘滞性而产生;二是形状阻力,它由物体前后压差形成,如圆柱绕流及圆头方尾闸墩绕流。由于绕流时边界发生分离,在圆柱后面产生旋涡,并产生分离点,边界层分离点的位置随物体形状,表面粗糙度及流速大小而变。旋涡的产生,使绕流物体后部压力小于前部压力形成前后压差,增加了水流对物体的作用力。绕流阻力的大小用下式表示:
                          
式中:为绕流阻力系数,是被绕流物体的形状和水流状况的函数,由实验测定; 为被绕物体垂直水流方向的投影面积; 为水流未受绕流影响以前的速度; 为水的容重。
三、实验装置与内容
该演示仪是以空气气泡为示踪介质,以狭缝过流道为特定边界流场,用以显示内流、外流等多种流动图谱。水在半封闭状态下受水泵的驱动自蓄水箱经掺气后流经显示板,形成无数小气泡,小气泡相对水流流动的跟随性达到一致。仪器内日光灯照射到显示板上,使小气泡发出明亮的折射光,在后盖底板衬托下,清楚的显示出小气泡随水流流动的迹象。
Ⅰ型:用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像。在逐渐扩散可看到由边界层分离而形成的强烈旋涡,且越是靠近上游喉颈处,流速越大,涡旋尺度越小,紊动强度越高;而在逐渐收缩段,无分离,流线均匀收缩,亦无旋涡,由此可知,逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。
   在突然扩大段出现较大的旋涡区,而突然收缩段只在死角处和收缩断面后的进口附近出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失(缩扩的直径比大于0.7时例外),而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。
在直角弯道和壁面冲击段,也有多处旋涡区出现。尤其在弯道流中,流线弯曲更剧,越靠近弯道内侧,流速越小。且近内壁处,出现明显的回流,所形成的回流范围较大,将此与圆角转弯流动对比,直角弯道旋涡大,回流更加明显。
Ⅱ型:显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。
由显示可见,文丘里流量计的过流顺畅,流线顺直,无边界层分离和旋涡产生。孔板流量计的过流阻力较大,在孔板前,流线逐渐收缩,汇集于孔板的孔口处,只在拐角处有小旋涡出现,孔板后的水流逐渐扩散,并在主流区的周围形成较大的旋涡区。由此可知,孔板流量计的过流阻力较大;圆弧进口管嘴流量计入流顺畅,管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生;在圆形弯道段,流线较顺畅,与直角弯道比较,旋涡发生少。在弯道的内侧,边界层分离及分离点清晰可见。边界层分离后,产生回流形成旋涡。
Ⅲ型 :显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头,45°弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。
由显示可见,在每一转弯的后面,都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同,旋涡大小、形状各异。在圆弧转弯段,流线较顺畅,该串联管道上,还显示了局部水头损失叠加影响的图谱,流动形态错综复杂。在非自由射流段,射流离开喷口后,不断卷吸周围的流体,形成射流的紊动扩散。在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。
Ⅳ型:显示30°弯头、分流、合流、45°弯头、YF溢流阀、流段纵剖面上的流动图谱。
由显示可见,在转弯、分流、合流等过流段上,有不同形态的旋涡出现。合流涡旋较为典型,明显干扰主流,使主流受阻。
YF-溢流阀广泛的用于液压传动系统。其流动介质通常是油。阀门前后压差可达315bar,阀道处的流速每秒可高达二百多米,本装置流动介质是水,为了与实际阀门的流动相似(Re相同),在阀门前加一减压分流。该装置能十分清晰的显示阀门前后的流动形态;高速流体经阀口喷出后,在阀芯的大反圆弧段发生边界层分离,出现一圆旋涡带,在射流和阀座的出口处,便产生以较大的旋涡环带,在射流和阀座的出口处也产生一较大的旋涡带,在阀门的后部,尾迹区大而复杂,产生不规则的随机的卡门涡街,经阀芯芯部流过的小股流体也在尾迹区产生不规则的左右扰动,调节过流量,旋涡的形态仍然不变。
Ⅴ型:显示明渠逐渐扩散,单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。
该仪器显示可见:单圆柱绕流时的边界层分离状况,分离点位置,卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱图像。
Ⅵ型:显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、机翼型绕流、直角弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。
桥墩形绕流体为圆头方尾的纯体。水流脱离桥墩后,形成一个旋涡区尾流。在紊流区不断交替在二侧产生旋转方向相反的旋涡,即卡门涡街。(可与圆柱体绕流比较)。
机翼型绕流是绕流体的最好形式,其流体畅通,形体阻力最小,故流线体一般是是圆头尖尾形。
Ⅶ型:显示流体进入圆弧集流器与圆锥集流器时的流动情况,集流器多按装于风洞进口,使流体收敛、均匀进入风洞,并可利用其形状的变化引起的前后压差的变化,作进口流量的测量。集流器的外型几何尺寸已经列入了国家标准,设计及制造时均有参照。
四、演示方法与步骤
1.将注水管插进每个设备旁侧的加水孔注水,观察前部的水位,到刻度处,不要太多或太少,否则将影响正常演示时的气泡效果。
2.加水后,将电源接通,水泵上水,光源点亮。等整个设备运行稳定后,就可以清晰的观察流体流经各类边界时所形成的流线所形成的流谱了。
五、思考题
1.谈谈文丘里流量计,孔板流量计及圆弧进口管嘴流量计各自特点及其用途。
2.为什么急变流段测压管水头不按静水压强规律分布?
3.短管局部水头损失是否等于各单个局部水头损失之和?为什么?
4.处于流场中的绕流体为何会产生振动?为什么振动方向和来流方向垂直?
5.为什么圆柱绕流频率可由公式计算而非圆柱绕流频率一般不能计算?


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