流動現(xiàn)象演示儀說明書

一、流動現(xiàn)象演示儀說明書-實驗目的
⒈觀察各種幾何邊界條件下產(chǎn)生的旋渦現(xiàn)象，搞清旋渦產(chǎn)生的原因與條件。
⒉通過對各種邊界下旋渦強弱的觀察，分析比較局部損失的大小。
⒊觀察繞流現(xiàn)象、分離點及卡門渦街現(xiàn)象。
4. 清晰、鮮明的顯示出流體在特定邊界流場中流動的多種流動圖譜，為了解、設計、改進流道和設計流體元器件提供直接根據(jù)。
二、實驗原理
流經(jīng)固體邊界的水流，當達到一定雷諾數(shù)時，由于固體邊界的形狀大小突然發(fā)生變化，在慣性的作用下，就會出現(xiàn)主流與邊界分離而產(chǎn)生旋渦的現(xiàn)象，如突然縮小、突然擴大、孔板等。水流在這些突變的邊界處形成局部水流阻力，能量損失較大。在旋渦范圍內(nèi)，水流常表現(xiàn)為高度紊亂并伴隨有劇烈摩擦、分裂和撞擊作用，部分水流運動的連續(xù)性遭受破壞，出現(xiàn)明顯的主流與固體邊界脫離，從而導致大尺度旋渦的產(chǎn)生。

三、實驗裝置與內(nèi)容
該演示儀是以空氣氣泡為示蹤介質(zhì)，以狹縫過流道為特定邊界流場，用以顯示內(nèi)流、外流等多種流動圖譜。水在半封閉狀態(tài)下受水泵的驅(qū)動自蓄水箱經(jīng)摻氣后流經(jīng)顯示板，形成無數(shù)小氣泡，小氣泡相對水流流動的跟隨性達到一致。儀器內(nèi)日光燈照射到顯示板上，使小氣泡發(fā)出明亮的折射光，在后蓋底板襯托下，清楚的顯示出小氣泡隨水流流動的跡象。
Ⅰ型：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。在逐漸擴散可看到由邊界層分離而形成的強烈旋渦，且越是靠近上游喉頸處，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)，而突然收縮段只在死角處和收縮斷面后的進口附近出現(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。
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(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，將此與圓角轉(zhuǎn)彎流動對比，直角彎道旋渦大，回流更加明顯。
Ⅱ型：顯示文丘里流量計、孔板流量計、圓弧進口管嘴流量計以及壁面沖擊、圓弧形彎道等串聯(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(chǎn)生。孔板流量計的過流阻力較大，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；圓弧進口管嘴流量計入流順暢，管嘴過流段上無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生；在圓形彎道段，流線較順暢，與直角彎道比較，旋渦發(fā)生少。在彎道的內(nèi)側(cè)，邊界層分離及分離點清晰可見。邊界層分離后，產(chǎn)生回流形成旋渦。
Ⅲ型：顯示30°彎頭、直角圓弧彎頭、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(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。在圓弧轉(zhuǎn)彎段，流線較順暢，該串聯(lián)管道上，還顯示了局部水頭損失疊加影響的圖譜，流動形態(tài)錯綜復雜。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。
Ⅳ型：顯示30°彎頭、分流、合流、45°彎頭、YF溢流閥、流段縱剖面上的流動圖譜。
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，明顯干擾主流，使主流受阻。
YF－溢流閥廣泛的用于液壓傳動系統(tǒng)。其流動介質(zhì)通常是油。閥門前后壓差可達315bar，閥道處的流速每秒可高達二百多米，本裝置流動介質(zhì)是水，為了與實際閥門的流動相似（Re相同），在閥門前加一減壓分流。該裝置能十分清晰的顯示閥門前后的流動形態(tài)；高速流體經(jīng)閥口噴出后，在閥芯的大反圓弧段發(fā)生邊界層分離，出現(xiàn)一圓旋渦帶，在射流和閥座的出口處，便產(chǎn)生以較大的旋渦環(huán)帶，在射流和閥座的出口處也產(chǎn)生一較大的旋渦帶，在閥門的后部，尾跡區(qū)大而復雜，產(chǎn)生不規(guī)則的隨機的卡門渦街，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)仍然不變。
Ⅴ型：顯示明渠逐漸擴散，單圓柱繞流、多圓柱繞流及直角彎道等流段的流動圖像。圓柱繞流是該型演示儀的特征流譜。
該儀器顯示可見：單圓柱繞流時的邊界層分離狀況，分離點位置，卡門渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過程以及多圓柱繞流時的流體混合、擴散、組合旋渦等流譜圖像。
Ⅵ型：顯示明渠漸擴、橋墩形鈍體繞流、機翼型繞流、直角彎道和正、反流線體繞流等流段上的流動圖譜。
橋墩形繞流體為圓頭方尾的純體。水流脫離橋墩后，形成一個旋渦區(qū)尾流。在紊流區(qū)不斷交替在二側(cè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，即卡門渦街。（可與圓柱體繞流比較）。
機翼型繞流是繞流體的最好形式，其流體暢通，形體阻力最小，故流線體一般是是圓頭尖尾形。
Ⅶ型：顯示流體進入圓弧集流器與圓錐集流器時的流動情況，集流器多按裝于風洞進口，使流體收斂、均勻進入風洞，并可利用其形狀的變化引起的前后壓差的變化，作進口流量的測量。集流器的外型幾何尺寸已經(jīng)列入了國家標準，設計及制造時均有參照。
四、演示方法與步驟
1.將注水管插進每個設備旁側(cè)的加水孔注水，觀察前部的水位，到刻度處，不要太多或太少，否則將影響正常演示時的氣泡效果。
2.加水后，將電源接通，水泵上水，光源點亮。等整個設備運行穩(wěn)定后，就可以清晰的觀察流體流經(jīng)各類邊界時所形成的流線所形成的流譜了。
五、思考題
1.談談文丘里流量計，孔板流量計及圓弧進口管嘴流量計各自特點及其用途。
2.為什么急變流段測壓管水頭不按靜水壓強規(guī)律分布？
3.短管局部水頭損失是否等于各單個局部水頭損失之和？為什么？
4.處于流場中的繞流體為何會產(chǎn)生振動？為什么振動方向和來流方向垂直？
5.為什么圓柱繞流頻率可由公式計算而非圓柱繞流頻率一般不能計算？

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