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1、漩 涡 实 验 仪说 明 书天津市睿智天成科技发展有限公司一、实验目的1.观察流体运动的迹线和流线；2.观察流体绕固体边界运动时的流动现象；3.观察各种简单势流：源、汇、平行流的流谱。二、实验装置与流程2.1实验装置整套实验装置由低位槽、水泵、演示装置等组成。其中演示装置有六种类型，分别为ZL-1型、ZL-2型、ZL-3型、ZL-4型、ZL-5型、ZL-6型。2.1.1 ZL-1型 显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、180直角弯道等平面上的流动图像，模拟串联管道纵剖面流谱。 在逐渐扩散段可看到由主流脱离边壁（边界层分离）而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，旋涡尺度越小
2、，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无旋涡。由此可知，逐渐扩散段的局部水头损失大于逐渐收缩段。 在突然扩大段出现了较大的旋涡区，而突然收缩段只在死角处和收缩断面后的进口附近出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失（缩扩的直径比大于0.7时例外），而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面之后（旋涡区在后）。 由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在管嘴进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增大，从而在收缩断面出现真空。 在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道水流中，流线弯曲更加剧烈，越靠近弯道内侧
3、，流速越小；且近内壁处，出现明显的回流，将直角弯道所形成的回流范围与ZL-2型圆角转弯对比，显然直角弯道旋涡区大，回流更加明显。 旋涡的大小和紊动强度与流速有关。这可以通过调节流量来观察对比：如流量减小，渐扩段流速较小，其紊动强度也较小，这时可看到在整个渐扩段有明显的单个大尺度旋涡。反之，当流量增大时，这单个大尺度旋涡随之破碎，并形成无数个小尺度的旋涡，且流速越高，紊动强度越大，则旋涡越小。可以看到，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。在突扩段，也可看到类似的旋涡尺度变化。据此清楚表明：紊动强度越大，旋涡尺度越小，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。由于流体质点间的内磨擦越厉害，水头损失也
4、就越大。2.1.2 ZL-2型 显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴以及壁面冲击、180圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无主流与边壁的分离和旋涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有小旋涡出现，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。由此可知，孔板流量计的过流阻力比文丘里流量计大。圆弧进口管嘴入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生（对比1型的直角进口管嘴）；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，旋涡发生区域较小。文丘里及孔板流量计的结构简单、使用方便、
5、测量精度高。由显示可见其结构的区别及其用途：文丘里流量计的优点是能量损失较小，对液流干扰较少，广泛应用于实验室与实际工程中的流量量测。孔板流量计结构更为简单，但水头损失很大，这一点作为流量计是缺点，但将其作为工程上的孔板消能又是优点。2.1.3 ZL-3型 显示30弯头、直角圆弧弯头、直角锐缘弯头、45弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。由显示可见，在每一转弯的后面，都因主流与固壁分离而产生旋涡，转弯角度不同，旋涡大小、形状各异，圆弧转弯段相对锐缘弯头段，流线较顺畅。由于设备中直角圆弧弯头、直角锐缘弯头相距很近，这就显示了局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷嘴后，不断
6、卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。2.1.4 ZL-4型 显示30弯头、分流、合流、45弯头、YF溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。由显示可见，在转弯、分流、合流等流段上，有不同形态的旋涡出现。合流旋涡明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”现象，为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用450三通连接。闸阀半开，尾部旋涡区较大，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，所以工程上蝶阀通常作检修用，只允许全开或全关。YF溢流阀结构和流态均较复
7、杂，下面详述。YF溢流阀广泛用于液压传动系统。其流动介质通常是油，阀门前后压差可高达315 bar，阀道处的流速可高达二百多米每秒。因装置中流动介质是水，为了与实际阀门的流动相似（雷诺数相同），在阀门前加一减压分流。该装置能十分清晰地显示阀门前后的流动形态：高速流体经阀口喷出后，在阀芯的大反弧段发生主流与边壁分离，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，调节过流流量，旋涡的形态仍然不变。该阀门在工作中，由于旋涡带的存在，必然会产生较激烈的振动，尤其是阀芯反弧段上的旋涡带
8、，影响更大，由于高速紊动流体的随机脉动，必然要引起旋涡区真空度的脉动，这一脉动压力直接作用在阀芯上，引起阀芯的振动，而阀芯的振动又作用于流体的脉动和旋涡区的压力脉动，因而引起阀芯的更激烈振动。显然这是一个很重要的振源，而且这一旋涡带还可能引起阀芯的空蚀破坏。2.1.5 ZL-5型 显示明渠逐渐扩散、单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。 由显示可见，单圆柱绕流时的边界层分离状况、分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱，现分述如下：（1）驻滞点 观察流经前驻滞点的小气泡，可见流速的变化由V00Vmax，流动
9、在驻滞点上明显停滞。（2）边界层分离 结合显示图谱，说明边界层、转捩点概念并观察边界层分离现象，边界层分离后的回流形态以及圆柱绕流转捩点的位置。 边界层分离将引起较大的能量损失。结合渐扩段的边界层分离现象，还可说明边界层分离后会产生局部低压，以致于有可能出现空化和空蚀破坏现象。如文丘里管喉管出口处。 （3）卡门涡街 圆柱的轴线与来流方向垂直。在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后，不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游，形成冯卡门(Von karman)涡街。对卡门涡街的研究，在工程实际中有很重要的意义。每当一个旋涡脱离开柱体时，根据汤姆逊(Thomson)环量不变定理，必然在柱体上产
10、生一个与旋涡所具有的环量大小相等方向相反的环量，由于这个环量使绕流体产生横向力，即升力。注意到在柱体的两侧交替地产生着旋转方向相反的旋涡，因此柱体上的环量的符号也交替变化，横向力的方向也交替地变化。这样就使柱体产生了一定频率的横向振动。若该频率接近柱体的自振频率，就可能产生共振，为此常常需要采取一些工程措施加以解决。4）多圆柱绕流广泛应用于热工中的传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等，流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺，换热效果较佳。另外，对于高层建筑群，也有类似的流动图像，即当高层建筑群承受大风袭击时，建筑物周围
11、也会出现复杂的风向和组合气旋，即使在独立的高建筑物下游附近，也会出现分离和尾流。这应引起建筑师的重视。2.1.6 ZL-6型 显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。 桥墩形柱体绕流 ：该绕流体为圆头方尾的钝形体，水流脱离桥墩后，形成一个旋涡区尾流，在尾流区两侧产生旋向相反且不断交替的旋涡，即卡门涡街。与圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。 该图谱主要作用有二：（1）说明了非圆柱体绕流也会产生卡门涡街；（2）对比观察圆柱绕流和钝体绕流可见：前者涡街频率f在雷诺数Re不变时它也不变；而后者，即使Re不变f却随机变化。由此说明了为什么圆
12、柱绕流频率可由公式计算，而非圆柱绕流频率一般不能计算的原因。流线形柱体绕流：这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。对比正、反流线体流动可见，当流线体倒置时，也出现卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。2.2 实验流程三、演示操作演示时，启动水泵，调节总水路的水流量。装备提供6块不同绕流体的演示板，可随意选择其中一块或同时使用几块进行试验。利用各分路上的水量调节阀调节水流量，文丘里处的针型阀调节好气泡大小(不同板对比实验时气泡大小要尽可能一致)，比较流体流过不同绕流体的流动情况。主要的试教板结构如图2所示，主要模拟流体流经孔板、列管换热器管子排列方式、换热器挡板结构、圆柱体、流线休、直角弯头、变截面通道等绕流体的流动情况。可以观察到流体流经绕流体时所产生的边界层分离现象，气泡、漩涡的大小反映了流体流经不同绕流体时的流动损失的大小。实验室有条件可同时给水添加颜料，以达到更好的实验效果。利用该装置可以获得十分满意的教学效果。1、关闭管道阀门。2、打开总开关，打开仪表开关通电。3、一切准备就绪后，按下离心泵的开启按钮。启动按钮绿灯亮，即可进行实验。4、打开泵的出水阀V102，并分别打开各个演示装置的进出口阀门,观察流动现象。6
