流动显示

流动显示实验

一、实验目的

1．在水洞中观察飞机模型周围流谱。

2．通过调节水槽中水流速度、观察不同绕流物体周围流形变化，进一步了解层流流动与湍流流动的区别、卡门涡街的产生、流动分离现象等流体流动规律。

3．学习设计流动显示方法。

二、实验装置及用品

1．水洞水槽联合实验台（水洞及水槽部分示意图分别如下）

2．飞机模型及绕流物体

本实验所用绕流物体是内部空心(以利灌装染色液)，外形为单一圆柱体、组合圆柱体、三角断面柱体、矩形断面柱体、翼型等部件。 3． 实验用品

本实验所用物品主要是固体高锰酸钾、溶解杯、注射针头等。 三、实验步骤

1． 水洞观察飞机模型绕流

1.1 将高锰酸钾溶液加入到飞机模型的染色管道中，并打开染色管道控制阀；

1.2 开启水泵，待试验段注满水后，控制出水阀来调节流速；

1.3 待流动稳定后，记录下游流量计上所读取的流速值，观察流动显示现象； 1.4 调节流速，观察并记录不同流速下的流动现象。 2． 水槽观察圆柱绕流

2.1 将高锰酸钾溶液加入到开孔的单圆柱模型中，将其放入水槽中；

2.2 开启水泵，使试验段尽量注满水，控制出水阀来调节流速；

2.3 待流动稳定后，记录下游流量计上所读取的流速值，观察流动显示现象； 2.4 调节流速，观察并记录不同流速下的流动现象； 2.5 更换双圆柱模型，重复实验过程。 四、实验现象观察与分析 1. 水洞观察飞机模型绕流现象

（1）流速确定方法

水洞实验段截面为边长a=250mm 的正方形，流量计测量位置为内径d=100mm 的圆，流量计直接测得流速为0u ，则实验段流速按如下公式计算：

002

20221257.0250

41001416.341u u u a d

u =⨯⨯==π （2）流动显示现象

控制出水阀，在不同流速下观察流场变化

（3）实验分析

在整个实验过程中，能够直观明显地观察到流动从层流到过渡流到湍流的发展过

程。流体的流动状态可以用雷诺数来量化，雷诺数是流体惯性力与黏性力比

值的量度，它是一个无量纲量。

当流速很小时，雷诺数较小，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流动稳定，流体分层流动，互不混合，为层流；逐渐增加流速，雷诺数也随之增加，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，雷诺数较大，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，形成紊乱、不规则的湍流流场。流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re ＜2320为层流状态，Re ＞4000为湍流状态，Re ＝2320～4000为过渡状态。

在本次实验中，实验模型为迎角为30°安装的翼身融合体，特征长度（模型长

度）近似为L=0.1m ，水的运动粘性系数为s m /1001.12

6-⨯=ν，雷诺数为ν

uL

=Re 。

以管道流动作为参考。当s m u /0176.0=时，1700Re ≈=ν

uL

，雷诺数小于临界雷

诺数，流动为层流；当s m u /0339.0=时，3300Re ≈=ν

uL

，雷诺数增大，流动处

于过渡状态；当s m u /0503.0=时，4900Re ≈=ν

uL

，雷诺数大于临界雷诺数，流

动为湍流；当流速继续增加时，

2. 水槽观察圆柱绕流现象

（1）流速确定方法

水槽实验段截面为宽为a=200mm ，水深h ，流量计测量位置为内径d=100mm 的圆，流量计直接测得流速为0u ，则实验段流速按如下公式计算：

020220041001416.341u h

u ah d

u ⨯⨯==π

但在实验过程中，无法测得水深h ，而仅知道水注满时h=200mm 。又由于水槽下游水箱储水能力小，经常发生溢出现象，所以在实验过程中很难保持实验段为注满状态。所以本实验报告中仅以流量计所测得流速定性分析，不做定量计算。 （2）观察流动显示现象 （3）实验分析

单圆柱绕流流态与Re 有很大关系，由流体力学知识可知，在Re ≤1时，流场中的粘性力相占主要地位，圆柱上下游的流线前后对称（如图a)，此Re 数范围的绕流称为斯托克斯区；随着Re 的增大，圆柱上下游的流线逐渐失去对称性。当Re>4时，沿圆柱表面流动的流体在到达圆柱顶点附近就离开了壁面，分离后的流体在圆柱下游形成一对固定不动的对称附着涡，涡内流体自成封闭回路而成为“死水区”（如图b ）；随着Re 的继续增大，死水区逐渐拉长圆柱前后流场的非对称性逐渐明显，此Re 数范围称为对称尾流区。Re>40以后，附着涡瓦解，圆柱下游流场不再是定常的，圆柱后缘上下两侧有涡周期性地轮流脱落，形成规则排列的涡阵（如图c ），这种涡阵称为卡门涡街；此Re 数范围称为卡门涡街区。Re>300以后，圆柱后的“涡街”逐渐失去规则性和周期性，但分离点（约82°）前圆柱壁面附近仍为层流边界层，分离点后为层流尾流（如图d ）。当Re*>200000~400000时，层流边界层随时有可能转涙为湍流，分离点后移至100°以后，湍流时绕流尾迹宽度减小（如图e ））。本次实验中，雷诺数约为1000左右，观察到非周期性的卡门涡街。

对于串列双圆柱，两圆柱的流场与圆柱间的间距（L)有很大关系，刘松（2000）通过数值模拟发现[1]：当5.2/4，故而两个圆柱上均有涡脱落。而且由于受到上游圆柱不断甩出的脱落涡的影响，下游圆柱尾流更容易发展成为湍流。 五、实验思考

1． 该实验可否对水槽中流动速度做定量测量、如何测量？

可以定量测量，具体公式已给出，但应在水槽实验段增加测量水深的直尺，且水槽内水面高度很难维持稳定，故测量结果会有较大误差，不适合做定量计算。 2． 你了解的其它流动显示方式有哪些？

流动显示方法有很多，根据实验状态不同分为水流显示、低速气流显示和高速气流显示三类：

水流动显示方法除了此次实验中的着色法，还有悬浮物法、氢气泡法、漂浮物法； 低速气流显示方法括丝线法、荧光微丝法、吹动法、烟流法。

高速气流显示可采用光学显示方法（如阴影法、纹影法、干涉法）和高速摄像技术。 六、参考文献

[1] 刘松，符松，串列双圆柱绕流问题的数值模拟，计算力学学报，第17卷第3期，

2000年8月