流体力学流动演示实验

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。

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。

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

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