流体力学流动演示实验

第一部分基础性实验-1-流体力学流动演示实验流体力学演示实验包括流线流谱演示实验、流动演示实验两部分。各实验具体内容如下：第1部分流线流谱演示实验1.1实验目的1)了解电化学法流动显示原理。2)观察流体运动的流线和迹线，了解各种简单势流的流谱。3)观察流体流经不同固体边界时的流动现象和流线流谱特征。1.2实验装置实验装置见图1.1。图1.1流线流谱实验装置图说明：本实验装置包括3种型号的流谱仪，Ⅰ型演示机翼绕流流线分布，Ⅱ型演示圆柱绕流流线分布，Ⅲ型演示文丘里管、孔板、突缩、突扩、闸板等流段纵剖面上的流谱。流谱仪由水泵、工作液体、流速调节阀、对比度调节旋钮与正负电极、夹缝流道显流体力学实验指导书-2-示面、灯光、机翼、圆柱、文丘里管流道等组成。1.3实验原理流线流谱显示仪采用电化学法电极染色显示技术，以平板间夹缝式流道为流动显示平面，工作液体在水泵驱动下从显示面底部流出，工作液体是由酸碱度指示剂配制的水溶液，在直流电极作用下会发生水解电离，在阴极附近液体变为碱性，从而液体呈现紫红色。在阳极附近液体变为酸性，从而液体呈现黄色。其他液体仍为中性的橘黄色。带有一定颜色的流体在流动过程中形成紫红色和黄色相间的流线或迹线。流线或迹线的形状，反映了机翼绕流、圆柱绕流流动特性，反映了文丘里管、孔板、突缩、突扩、闸板等流道内流动特性。流体自下而上流过夹缝流道显示面后经顶端的汇流孔流回水箱中，经水泵混合，中和消色，循环使用。实验指导与分析如下：1)Ⅰ型演示仪。演示机翼绕流的流线分布。由流动显示图像可见，机翼右侧即向天侧流线较密，由连续方程和能量方程可知，流线密，表明流速大、压强低；而机翼左侧即向地侧流线较稀疏，表明速低、压强较高。这表明机翼在实际飞行中受到一个向上的合力即升力。本仪器通过机翼腰部孔道流体流动方向可以显示出升力方向。此外，在流道出口端还可以观察到流线汇集后，并无交叉，从而验证流线不会重和的特性。2)Ⅱ型演示仪。演示圆柱绕流流线分布。当流速较小时，零流线在前驻点分成左右2支，经90°点后在圆柱后部后驻点处二者又合二为一。所显示的流谱圆柱前后几乎完全对称。这是因为流速很低（约0.5～1.0cm/s），能量损失极小，可以忽略，其流动可视为势流，绕流流体可视为理想流体。因此，流谱与圆柱绕流势流理论流谱基本一致。当流速增大后，雷诺数增大，流动时流线对称性不复存在，圆柱上游流谱不变而下游原来合二为一的有色线分开，尾流出现，流动由势流变成涡流了。由此可知，势流与涡流是性质完全不同的两种流动。3)Ⅲ型演示仪。演示仪左侧演示文丘里管、孔板、逐渐扩大和逐渐缩小流道内纵剖面上的流谱，右侧演示突然扩大、突然缩小、明渠闸板流段纵剖面上的流谱。当流动雷诺数较小时，液体流经不同这些渐变管道、突扩或突缩管道时流线疏密程度相应变化而不交叉，在边界并没有漩涡出现。当适当提高雷诺数后，经过一定的起始段后，在突扩处流线会脱离边界，形成漩涡，从而显示实际流体的流动图谱。该演示仪也可说明均匀流、渐变流、急变流的流线特征。1.4实验方法与步骤1)打开电源开关，灯光亮，打开水泵开关，驱动流体在平面流道内自下而上流动。2)调节侧面流量调节阀到适当位置，达到最佳显示效果。3)观察分析流道内流动情况和流线流谱特征。4)改变流速，观察提高雷诺数后流动情况。5)实验结束，关闭电源。★操作要领与注意事项：①、流线不清晰，可适当滴几滴氢氧化钠溶液或盐酸。②对比度适中，流体流速要小。第一部分基础性实验-3-1.5实验分析与讨论1)在定常流动时，从演示仪中看到的有色线是流线还是迹线？为什么？既是流线也是迹线，因为定常流动两者重合2)驻点的流线发生转折或分叉，是否与流线的性质矛盾？不矛盾3)根据流线的性质及能量方程，说明机翼受到的升力作用？飞机机翼呈上凸下凹状，当空气流经机翼时，其上侧流速较大，压力较小；下侧流速较小压力较大，从而在机翼上下产生了一个压力差，此即为飞机的升力。4)势流下的圆柱绕流压差阻力是否为零？流线特征如何？不是第2部分流动演示实验2.1实验目的1)观察各种边界条件下产生的漩涡现象，掌握漩涡产生的原因与条件。2)通过观察各种流动现象，加深理解局部阻力、绕流阻力、卡门涡街的发生机理。2.2实验装置流动演示仪实验装置如图2.1所示。流体力学实验指导书-4-图2.1流动演示实验装置图说明：本实验装置包括7种型号的流动演示仪，由电源开关、加水孔、掺气量调节阀、灯光和各种夹缝流道等组成，演示各种形状边界和各种形状物体绕流流动现象。显示不同边界及分离、尾流、旋涡等多种流动形态及其流体内部质点的运动特性。2.3实验演示内容与实验指导流动演示仪为了改善演示效果，可通过旋动掺气量调节阀改变掺气量，达到最佳显示效果。实验指导与分析如下：1)Ⅰ型演示仪。演示逐渐扩大、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第一部分基础性实验-5-流动图像。在逐渐扩大段，可看到由边界层分离而形成的旋涡，在上游流速越大，涡旋尺度越小，紊动强度越高。在逐渐收缩段，无边界层分离，亦无旋涡，流线均匀收缩。因此，逐渐收缩段比逐渐扩大段水头损失小。在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩段只在死角和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。因此，突扩段比突然收缩段有更大的局部水头损失（缩扩的直径比小于0.7），且水头损失主要产生在突缩断面之后。在突然收缩段，类似直角进口管嘴流动。在管嘴进口附近，流线收缩并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增大，在收缩断面出现真空。在直角弯道和壁面冲击段有多处旋涡出现，尤其在弯道流动中，流线弯曲更剧烈，在近内壁处出现明显的回流。通过调节流量大小，观察旋涡大小和湍动强度与流速关系。当流量减小，逐渐扩大段流速和湍动强度较小时，可以看到单个大尺度涡旋。反之，流量增大，单个尺度涡旋随之破碎，形成无数个小尺度涡旋。因此，涡旋尺度随湍动强度增大而变小，内摩擦加强，水头损失增大。2)Ⅱ型演示仪。演示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量计等三种结构流量计及圆弧形弯道等流动图像。三种流量计中，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，汇集于孔口处，只在拐角处有小旋涡，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。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，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域小。而Ⅰ型演示仪中直角弯道旋涡大，回流更加明显。上述三种流量计中，孔板流量计结构简单，测量精度高，但水头损失很大，在工程上可用于泄洪消能。3)Ⅲ型演示仪。演示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头、45°弯头、非自由射流等流段的流动图像。演示图像显示：各种弯道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，水头损失不同。在圆弧转弯段，流线较顺畅，在串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围流体，形成射流的紊动扩散。在此流段上还可以看到射流的“附壁效应”现象。4)Ⅳ型演示仪。演示30°弯头、分流、合流、45°弯头、YF-溢流阀、闸阀、蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。演示图像显示：在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合流旋涡较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”，给排水技术要求合流时用45°三通连接。闸阀半开时尾涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时过流顺畅，阻力小，半开时尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。YF-溢流阀装置显示阀门前后的流动形态：流体经阀口喷出后，在阀芯的大反弧段发生边界层分离，出现一圈旋涡带；在射流和阀座的出口处，也产生一较大的旋涡环带。在阀后，尾迹区大而复杂，并有随机的卡门涡街产生。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流体力学实验指导书-6-动。调节流量大小，旋涡的基本形态不变，表明在相当大的雷诺数范围内，旋涡基本稳定。由于旋涡带的存在，必然会产生较激烈的振动，而阀芯的振动又作用于流体的脉动和旋涡区的压力脉动，因而引起阀芯的更激烈振动。显然，这是一个很重要的振源。5)Ⅴ型演示仪演示明渠逐渐扩散、单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流动图像。在明渠逐渐扩散段，可看到由边界层分离而形成的旋涡，边界层分离将引起较大的能量损失。单圆柱绕流时，可观察到边界层分离状况、分离点位置、滞止点、卡门涡街的产生与发展过程。观察到多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。卡门涡街是指在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后，不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游，形成冯••卡门“涡街”。通过观察涡街现象，分析升力产生的原理、绕流物体产生振动以及振动方向与来流方向相垂直的问题。多圆柱绕流广泛用于热工传热系统的“冷凝器”和其他工业管道的热交换器。流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺，换热效果较佳。6)Ⅵ型演示仪演示明渠逐渐扩散、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正反流线体绕流等流动图谱。桥墩形钝体绕流显示：在尾流区也有卡门涡街现象，不过和圆柱绕流的涡街频率有所不同，圆柱绕流的涡街频率在Re数不变时不会发生变化，而在非圆柱绕流时涡街频率却随机变化。关于绕流物体的振动问题，有三种途径解决：一是改变流速；二是改变绕流体自振频率；三是改变绕流体结构形式，破坏涡街的固有频率，避免共振。流线形柱体绕流是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。从正反流线体的对比流动可见：当流线体倒置时也出现卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。7)Ⅶ型演示仪这是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。射流经喷嘴喷射后，如果先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气）,因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如要射流再切换回来，只要转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。因此，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号（气流），便能够输出一个大信号（射流），并能把脉冲小信号保持记忆下来。由演示所见的射流附壁现象，又被称作“附壁效应”。利用附壁效应可制成“或门”、“非门”、“或非门”等各种射流元件，并可把它们组成自动控制系统或自动检测系统。由于射流元件不受外界电磁干扰，比电子自控元件有独特的优势。在装置中配置了液位自动控制装置，该装置就是射流元件在自动控制中的应用。图2.3为双稳放大射流阀与双水箱容器及4根连通管连通各处位置示意图。水泵启动后，流道喉管2a、2b处由于过流断面较小，流速过大，形成真空。当喉管2a、2b处压力不一致时，使射流偏向一侧而形成“附壁效应”。如果射流偏向如图所示左侧，第一部分基础性实验-7-则右侧水箱水位因2b处真空作用下抽吸而下降，同时，4a→3a过流，3a出口处的薄膜逆止阀打开，左水箱加水。当右水箱液位下降到1b小孔高程时，气流经1b进入2b，2b处升压，使射流切换到另一流道即右侧。此时2a处由于真空作用而从1a处抽吸左水箱水，3a、4a间断流，3a处薄膜逆止阀关闭。4b→3b过流，3b出口处的薄膜逆止阀打开，右水箱加水。如此往复循环自动切换。图2.3射流元件示意图★操作要领与注意事项：通过旋动掺气量调节阀改变掺气量，可达到最佳显示效果。注意有滞后性，调节应缓慢进行。掺气量不宜太大，否则，会阻断水流或产生振动。2.4分析与思考1)结合紊动机理实验，分析流动紊动强度、涡旋大小与水头损失之间关系。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，这在工程上称之为“水塞”现象。为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45°三通连接。闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。蝶阀