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流動(dòng)現(xiàn)象演示儀說(shuō)明書(shū)
2024-09-05
流動(dòng)現(xiàn)象演示儀說(shuō)明書(shū)
一、
流動(dòng)現(xiàn)象演示儀說(shuō)明書(shū)
-
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
⒈觀(guān)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(guò)對(duì)各種邊界下旋渦強(qiáng)弱的觀(guān)察,分析比較局部損失的大小。
⒊觀(guān)察繞流現(xiàn)象、分離點(diǎn)及卡門(mén)渦街現(xiàn)象。
4. 清晰、鮮明的顯示出流體在特定邊界流場(chǎng)中流動(dòng)的多種流動(dòng)圖譜,為了解、設(shè)計(jì)、改進(jìn)流道和設(shè)計(jì)流體元器件提供直接根據(jù)。
二、實(shí)驗(yàn)原理
流經(jīng)固體邊界的水流,當(dāng)達(dá)到一定雷諾數(shù)時(shí),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(huì)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(kuò)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)致大尺度旋渦的產(chǎn)生。
三、實(shí)驗(yàn)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(guò)流道為特定邊界流場(chǎng),用以顯示內(nèi)流、外流等多種流動(dòng)圖譜。水在半封閉狀態(tài)下受水泵的驅(qū)動(dòng)自蓄水箱經(jīng)摻氣后流經(jīng)顯示板,形成無(wú)數(shù)小氣泡,小氣泡相對(duì)水流流動(dòng)的跟隨性達(dá)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(dòng)的跡象。
Ⅰ型: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(dòng)圖像。在逐漸擴(kuò)散可看到由邊界層分離而形成的強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度越高;而在逐漸收縮段,無(wú)分離,流線(xiàn)均勻收縮,亦無(wú)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),而突然收縮段只在死角處和收縮斷面后的進(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。
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(xiàn)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(dòng)對(duì)比,直角彎道旋渦大,回流更加明顯。
Ⅱ型:顯示文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、圓弧進(jìn)口管嘴流量計(jì)以及壁面沖擊、圓弧形彎道等串聯(lián)流道縱剖面上的流動(dòng)圖像。
由顯示可見(jiàn),文丘里流量計(jì)的過(guò)流順暢,流線(xiàn)順直,無(wú)邊界層分離和旋渦產(chǎn)生?装辶髁坑(jì)的過(guò)流阻力較大,在孔板前,流線(xiàn)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?chē)纬奢^大的旋渦區(qū)。由此可知,孔板流量計(jì)的過(guò)流阻力較大;圓弧進(jìn)口管嘴流量計(jì)入流順暢,管嘴過(guò)流段上無(wú)邊界層分離和旋渦產(chǎn)生;在圓形彎道段,流線(xiàn)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(diǎn)清晰可見(jiàn)。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(dòng)圖像。
由顯示可見(jiàn),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(xiàn)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(dòng)形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜。在非自由射流段,射流離開(kāi)噴口后,不斷卷吸周?chē)牧黧w,形成射流的紊動(dòng)擴(kuò)散。在此流段上還可看到射流的“附壁效應(yīng)”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(dòng)圖譜。
由顯示可見(jiàn),在轉(zhuǎn)彎、分流、合流等過(guò)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(dòng)系統(tǒng)。其流動(dòng)介質(zhì)通常是油。閥門(mén)前后壓差可達(dá)315bar,閥道處的流速每秒可高達(dá)二百多米,本裝置流動(dòng)介質(zhì)是水,為了與實(shí)際閥門(mén)的流動(dòng)相似(Re相同),在閥門(mén)前加一減壓分流。該裝置能十分清晰的顯示閥門(mén)前后的流動(dòng)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(mén)的后部,尾跡區(qū)大而復(fù)雜,產(chǎn)生不規(guī)則的隨機(jī)的卡門(mén)渦街,經(jīng)閥芯芯部流過(guò)的小股流體也在尾跡區(qū)產(chǎn)生不規(guī)則的左右擾動(dòng),調(diào)節(jié)過(guò)流量,旋渦的形態(tài)仍然不變。
Ⅴ型:顯示明渠逐漸擴(kuò)散,單圓柱繞流、多圓柱繞流及直角彎道等流段的流動(dòng)圖像。圓柱繞流是該型演示儀的特征流譜。
該儀器顯示可見(jiàn):?jiǎn)螆A柱繞流時(shí)的邊界層分離狀況,分離點(diǎn)位置,卡門(mén)渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程以及多圓柱繞流時(shí)的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜圖像。
Ⅵ型:顯示明渠漸擴(kuò)、橋墩形鈍體繞流、機(jī)翼型繞流、直角彎道和正、反流線(xiàn)體繞流等流段上的流動(dòng)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(gè)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(mén)渦街。(可與圓柱體繞流比較)。
機(jī)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(xiàn)體一般是是圓頭尖尾形。
Ⅶ型:顯示流體進(jìn)入圓弧集流器與圓錐集流器時(shí)的流動(dòng)情況,集流器多按裝于風(fēng)洞進(jìn)口,使流體收斂、均勻進(jìn)入風(fēng)洞,并可利用其形狀的變化引起的前后壓差的變化,作進(jìn)口流量的測(cè)量。集流器的外型幾何尺寸已經(jīng)列入了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)及制造時(shí)均有參照。
四、演示方法與步驟
1.將注水管插進(jìn)每個(gè)設(shè)備旁側(cè)的加水孔注水,觀(guān)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(shí)的氣泡效果。
2.加水后,將電源接通,水泵上水,光源點(diǎn)亮。等整個(gè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后,就可以清晰的觀(guān)察流體流經(jīng)各類(lèi)邊界時(shí)所形成的流線(xiàn)所形成的流譜了。
五、思考題
1.談?wù)勎那鹄锪髁坑?jì),孔板流量計(jì)及圓弧進(jìn)口管嘴流量計(jì)各自特點(diǎn)及其用途。
2.為什么急變流段測(cè)壓管水頭不按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布?
3.短管局部水頭損失是否等于各單個(gè)局部水頭損失之和?為什么?
4.處于流場(chǎng)中的繞流體為何會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)?為什么振動(dòng)方向和來(lái)流方向垂直?
5.為什么圓柱繞流頻率可由公式計(jì)算而非圓柱繞流頻率一般不能計(jì)算?
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