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自循環(huán)流動演示儀使用說明書 

一、實驗目的要求

1.觀察流體運動時的流線。

2.觀察流體繞過固體邊界流動時的流動現(xiàn)象。

3.觀察均勻流、漸變流、急變流的流線。

二、實驗裝置

該儀器用有機玻璃制成，是以狹縫流道為顯示屏面，水為工作流體，空氣泡為示蹤介質，由顯示屏、水泵、摻氣裝置、供水箱等組成的壁掛式自循環(huán)流動演示儀。通過在水流中摻氣的方法演示出不同邊界條件下的多種水流現(xiàn)象，并顯示相應的流譜。整個儀器由6個單元組成，每個單元都是一套獨立的裝置，可以單獨使用，也可以同時使用。

實驗過程中需注意：①打開或關閉進水閥門的過程要慢，不要突開、突關。②有些單元典型流譜只會出現(xiàn)在合適的進水流量情況，進水過多或過少均不適宜。

 三、實驗演示內容

1、圖（1)用以顯示逐漸擴散、逐漸收縮、突然擴大、突然收縮、壁面沖擊、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。

在逐漸擴散段可看到由邊界層分離而形成的旋渦，且靠近上游喉頸處，流速越大，渦旋尺度越小，紊動強度越高；而在逐漸收縮段，無分離，流線均勻收縮，亦無旋渦，由此可知，逐漸擴散段局部水頭損失大于逐漸收縮段。

在突然擴大段出現(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口附近出現(xiàn)較小的旋渦區(qū)。表明突擴段比突縮段有較大的局部水頭損失(縮擴的直徑比大于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口管咀的流動圖像。在管咀進口附近，流線明顯收縮，并有旋渦產生，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)。尤其在彎道流中，流線彎曲更劇，越靠近彎道內側，流速越小。且近內壁處，出現(xiàn)明顯的回流，所形成的回流范圍較大，將此與（2）型中園角轉彎流動對比，直角彎道旋渦大，回流更加明顯。

旋渦的大小和紊動強度與流速有關。這可通過流量調節(jié)觀察對比，例如流量減小，漸擴段流速較小，其紊動強度也較小，這時可看到在整個擴散段有明顯的單個大尺度渦旋。反之，當流量增大時，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，紊動強度越大，則旋渦越小，可以看到，幾乎每一個質點都在其附近激烈地旋轉著。又如，在突擴段，也可看到旋渦尺度的變化。據(jù)此清楚表明：紊動強度越大，渦旋尺度越小，幾乎每一個質點都在其附近激烈地旋轉著。由于水質點間的內磨擦越厲害，水頭損失就越大。

2、圖（2）顯示文丘里流量計、孔板流量計、園弧進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像。

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生；在園形彎道段，邊界層分離的現(xiàn)象及分離點明顯可見，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構、優(yōu)缺點及其用途。如孔板流量計結構簡單，測量精度高，但水頭損失很大。作為流量計損失大是缺點，但有時將其移作它用，例如工程上的孔板消能(詳下述)又是優(yōu)點。另外從圖（1）或（2）的彎道水流觀察分析可知，在急變流段測壓管水頭不按靜水壓強的規(guī)律分布，其原因何在?這有兩方面的影響：①離心慣性力的作用，②流速分布不均勻(外側大、內側小并產生回流)等原因所致。該演示儀所顯示的現(xiàn)象還表征某些工程的流動特點，如下三例。

1)板式有壓隧道的泄洪消能。如黃河小浪底電站，在有壓隧洞中設置了五道孔板式消能工。使泄洪的余能在隧洞中消耗，從而解決了泄洪洞出口缺乏消能條件時的工程問題。其消耗的機理，水流形態(tài)及水流和隧洞間的相互作用等，與孔板出流相似。

2)園弧形管咀過流。進口流線順暢，說明這種管咀流量系數(shù)較大(zui大可達0.98)可將此與圖（1）所示的直角管咀對比觀察，理解直角進口管咀的流量系數(shù)較小(約為0．82)的原因。

3)嗽叭形管道取水口。結合圖（1）的演示，可幫助學生了解為什么喇叭形取水口的水頭損失系數(shù)較小(約為0．05～0．25，而直角形的約為0．5)的原因。這是由于喇叭形進口符合流線型的要求。

3、圖（3）顯示30^。彎頭、直角園弧彎頭、直角彎頭、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，在每一轉彎的后面，都因邊界層分離而產生旋渦。轉彎角度不同，旋渦大小、形狀各異。在園弧轉彎段，流線較順暢。該串聯(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，射流離開噴口后，不斷卷吸周圍的流體，形成射流的紊動擴散。在此流段上還可看到射流的“附壁效應”現(xiàn)象。

綜上所述，該儀器可演示的主要流動現(xiàn)象為：

1)各種彎道和水頭損失的關系。

2)短管串聯(lián)管道局部水頭損失的疊加影響。這是計算短管局部水頭損失時，各單個局部水頭損失之和并不一定等于管道總局部水損失的原因所在。

3)非自由射流。據(jù)授課對象專業(yè)不同可分別側重于紊動擴散、旋渦形態(tài)或射流的附壁效應等。例對水工、河港等專業(yè)的學生，可結合河道的沖淤問題加以解說。從該裝置的一半看(以中間導流桿為界)，若把導流桿當作一側河岸，主流沿河岸高速流動。由顯示可見，該河岸受到水流的嚴重沖刷。而主流的外側，產生大速度回流，使另一側河岸也受到局部淘刷。在噴嘴附近的回流死角處，因流速小，紊動度小，則出現(xiàn)淤積。這些現(xiàn)象在天然河道里是常有的。又如對熱工和化工一類，則可側重于紊動擴散和介質傳輸。對暖通專業(yè)則可側重于通風口布置對紊摻均勻度的影響等。

4、圖（4）顯示30^。彎頭、分流、合流、45^。彎頭，YF一溢流閥、閘閥及蝶閥等流段縱剖面上的流動圖譜。其中YF—一溢流閥固定，為全開狀態(tài)，蝶閥活動可調。

由顯示可見，在轉彎、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”，給排水技術要求合流時用45^。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，尾渦紊動激烈，表明阻力大且易引起振動。蝶閥通常作檢修用，故只允許全開或全關。

YF——溢流閥結構和流態(tài)均較復雜，如下所述。YF——溢流閥廣泛用于液壓傳動系統(tǒng)。其流動介質通常是油，閥門前后壓差可高達315bar，閥道處的流速每秒可高達二百多米。本裝置流動介質是水，為了與實際閥門的流動相似(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，也產生一較大的旋渦環(huán)帶。在閥后，尾跡區(qū)大而復雜，并有隨機的卡門渦街產生。經(jīng)閥芯芯部流過的小股流體也在尾跡區(qū)產生不規(guī)則的左右擾動。調節(jié)過流量，旋渦的形態(tài)基本不變，表明在相當大的雷諾數(shù)范圍內，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。

利用該裝置不但能獲得十分滿意的教學演示效果，而且還直接為改進閥門的性能提供了直視根據(jù)。

5、圖（5）顯示明渠逐漸擴散，單園柱繞流、多園柱繞流及直角彎道等流段的流動圖像。園柱繞流是該型演示儀的特征流譜。

由顯示可見，單園柱繞流時的邊界層分離狀況，分離點位置、卡門渦街的產生與發(fā)展過程以及多園柱繞流時的流體混合、擴散、組合旋渦等流譜，現(xiàn)分述如下：

1)滯止點觀察流經(jīng)前駐滯點的小氣泡，可見流速的變化由，流動在滯止點上明顯停滯(可結合說明能量的轉化及畢托管測速原理)。

2)邊界層分離結合顯示圖譜，說明邊界層、轉捩點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)以及園柱繞流轉捩點的位置。

邊界層分離將引起較大的能量損失。結合漸擴段的邊界層分離現(xiàn)象，還可說明邊界層分離后會產生局部低壓，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(參空化機理實驗儀說明)。

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上產生邊界層分離后，不斷交替在兩側產生旋轉方向相反的旋渦，并流向下游，形成馮·卡門(VonKarman)“渦街”。

對卡門渦街的研究，在工程實際中有很重要的意義。每當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)量使繞流體產生橫向力，即升力。注意到在柱體的兩側交替地產生著旋轉方向相反的旋渦，因此柱體上的環(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，就可能產生共振，為此常采取一些工程措施加以解決。應用方面，可舉卡門渦街流量計，參照流動圖譜加以說明。從園柱繞流的圖譜可見，卡門渦街的頻率不僅與Re有關，也與管流的過流量有關。若在繞流柱上，過園心打一與來流方向相垂直的通道，在通道中裝設熱絲等感應測量元件，則可測得由于交變升力引起的流速脈動頻率，根據(jù)頻率就可測量管道的流量。

卡門渦街引起的振動及其實例：觀察渦街現(xiàn)象，說明升力產生的原理。繞流體為何會產生振動以及為什么振動方向與來流方向相垂直等問題，都能通過對該圖譜觀測分析迎刃而解。作為實例，如風吹電線，電線會發(fā)出共鳴(風振)；潛艇在行進中，潛望鏡會發(fā)生振動，高層建筑(高煙囪等)在大風中會發(fā)生振動等，其根據(jù)概出于卡門渦街。

4)多園柱繞流，被廣泛用于熱工中的傳熱系統(tǒng)的“冷凝器”及其他工業(yè)管道的熱交換器等，流體流經(jīng)園柱時，邊界層內的流體和柱體發(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，也有類似的流動圖像，即當高層建筑群承受大風襲擊時，建筑物周圍也會出現(xiàn)復雜的風向和組合氣旋，即使在獨立的高建筑物下游附近，也會出現(xiàn)分離和尾流。這應引起起建筑師的重視。

6、圖（6）顯示明渠漸擴、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)兩側產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性。

該圖譜主要作用有二：

1)說明了非圓柱體繞流也會產生卡門渦街：

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卻隨機變化。由此說明了為什么園柱繞流頻率可由公式計算，而非園柱繞流頻率一般不能計算的原因。

解決繞流體的振動問題途徑有三：①改變流速；②改變繞流體自振頻率；③改變繞流體結構形式，以破壞渦街的固定頻率，避免共振。

如北大力學系曾據(jù)此成功地解決了一例120m煙囪的風振問題。其措施是在煙囪的外表加了幾道螺紋形突體，從而破壞了園柱繞流時的卡門渦街的結構并改變了它的頻率，結果消除了風振。

流線形柱體繞流，這是繞流體的形式，流動順暢，形體阻力zui小。又從正、反流線體的對比流動可見，當流線體倒置時，也出現(xiàn)卡門渦街。因此，為使過流平穩(wěn)，應采用順流而放的園頭尖尾形柱體。

五、實驗成果及要求

1.根據(jù)演示結果分析各單元的流譜特性。

2.在各單元內顯示的流譜中，為什么有的地方產生分離、漩渦，解釋這些現(xiàn)象發(fā)生的原因。

六、實驗分析與討論

1.旋渦區(qū)與水流能量損失有什么關系？

2.指出演示設備中急變流區(qū)。