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自循環(huán)流動演示儀使用說明書 

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/span>

1.觀察流體運(yùn)動時(shí)的流線。

2.觀察流體繞過固體邊界流動時(shí)的流動現(xiàn)象。

3.觀察均勻流、漸變流、急變流的流線。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

該儀器用有機(jī)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(zhì)，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(yīng)的流譜。整個(gè)儀器由6個(gè)單元組成，每個(gè)單元都是一套獨(dú)立的裝置，可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。

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

 三、實(shí)驗(yàn)演示內(nèi)容

1、圖（1)用以顯示逐漸擴(kuò)散、逐漸收縮、突然擴(kuò)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(kuò)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(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(shí)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)口管咀的流動圖像。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)。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（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。

旋渦的大小和紊動強(qiáng)度與流速有關(guān)。這可通過流量調(diào)節(jié)觀察對比，例如流量減小，漸擴(kuò)段流速較小，其紊動強(qiáng)度也較小，這時(shí)可看到在整個(gè)擴(kuò)散段有明顯的單個(gè)大尺度渦旋。反之，當(dāng)流量增大時(shí)，這種單個(gè)尺度渦旋隨之破碎，并形成無數(shù)個(gè)小尺度的渦旋，且流速越高，紊動強(qiáng)度越大，則旋渦越小，可以看到，幾乎每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。又如，在突擴(kuò)段，也可看到旋渦尺度的變化。據(jù)此清楚表明：紊動強(qiáng)度越大，渦旋尺度越小，幾乎每一個(gè)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、圖（2）顯示文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、園弧進(jìn)口管咀流量計(jì)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(jì)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(jì)的過流阻力較大；園弧進(jìn)口管咀流量計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)及其用途。如孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，但水頭損失很大。作為流量計(jì)損失大是缺點(diǎn)，但有時(shí)將其移作它用，例如工程上的孔板消能(詳下述)又是優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)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(cè)大、內(nèi)側(cè)小并產(chǎn)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(diǎn)，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(shè)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(shí)的工程問題。其消耗的機(jī)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(jìn)口流線順暢，說明這種管咀流量系數(shù)較大(zui大可達(dá)0.98)可將此與圖（1）所示的直角管咀對比觀察，理解直角進(jìn)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(jié)合圖（1）的演示，可幫助學(xué)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(jìn)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(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。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(kuò)散。在此流段上還可看到射流的“附壁效應(yīng)”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(guān)系。

2)短管串聯(lián)管道局部水頭損失的疊加影響。這是計(jì)算短管局部水頭損失時(shí)，各單個(gè)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(cè)重于紊動擴(kuò)散、旋渦形態(tài)或射流的附壁效應(yīng)等。例對水工、河港等專業(yè)的學(xué)生，可結(jié)合河道的沖淤問題加以解說。從該裝置的一半看(以中間導(dǎo)流桿為界)，若把導(dǎo)流桿當(dāng)作一側(cè)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(yán)重沖刷。而主流的外側(cè)，產(chǎn)生大速度回流，使另一側(cè)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(cè)重于紊動擴(kuò)散和介質(zhì)傳輸。對暖通專業(yè)則可側(cè)重于通風(fēng)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(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(shù)要求合流時(shí)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(shí)，過流順暢，阻力小，半開時(shí)，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(guān)。

YF——溢流閥結(jié)構(gòu)和流態(tài)均較復(fù)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(zhì)通常是油，閥門前后壓差可高達(dá)315bar，閥道處的流速每秒可高達(dá)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，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(jī)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(gè)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(xué)演示效果，而且還直接為改進(jìn)閥門的性能提供了直視根據(jù)。

5、圖（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(shí)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(shí)的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜，現(xiàn)分述如下：

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

2)邊界層分離結(jié)合顯示圖譜，說明邊界層、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)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(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置。

邊界層分離將引起較大的能量損失。結(jié)合漸擴(kuò)段的邊界層分離現(xiàn)象，還可說明邊界層分離后會產(chǎn)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(jī)理實(shí)驗(yàn)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(gè)對稱點(diǎn)上產(chǎn)生邊界層分離后，不斷交替在兩側(cè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(shí)際中有很重要的意義。每當(dāng)一個(gè)旋渦脫離開柱體時(shí)，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(gè)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(gè)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(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，為此常采取一些工程措施加以解決。應(yīng)用方面，可舉卡門渦街流量計(jì)，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(guān)，也與管流的過流量有關(guān)。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(shè)熱絲等感應(yīng)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(shí)例：觀察渦街現(xiàn)象，說明升力產(chǎn)生的原理。繞流體為何會產(chǎn)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(shí)例，如風(fēng)吹電線，電線會發(fā)出共鳴(風(fēng)振)；潛艇在行進(jìn)中，潛望鏡會發(fā)生振動，高層建筑(高煙囪等)在大風(fēng)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(shí)，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，也有類似的流動圖像，即當(dāng)高層建筑群承受大風(fēng)襲擊時(shí)，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)引起起建筑師的重視。

6、圖（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(gè)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隨機(jī)性。

該圖譜主要作用有二：

1)說明了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(shí)它也不變：而后者，即使Re不變f卻隨機(jī)變化。由此說明了為什么園柱繞流頻率可由公式計(jì)算，而非園柱繞流頻率一般不能計(jì)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(jié)構(gòu)形式，以破壞渦街的固定頻率，避免共振。

如北大力學(xué)系曾據(jù)此成功地解決了一例120m煙囪的風(fēng)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(shí)的卡門渦街的結(jié)構(gòu)并改變了它的頻率，結(jié)果消除了風(fēng)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(dāng)流線體倒置時(shí)，也出現(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。

五、實(shí)驗(yàn)成果及要求

1.根據(jù)演示結(jié)果分析各單元的流譜特性。

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

六、實(shí)驗(yàn)分析與討論

1.旋渦區(qū)與水流能量損失有什么關(guān)系？

2.指出演示設(shè)備中急變流區(qū)。