水流现象

实验二 水流流动形态及绕流现象演示 一、演示目的 1、观察各种几何边界变化条件下产生的旋涡现象，搞清旋涡产生的原因与条件。 2、通过对各种边界下旋涡强弱的观察，分析比较局部损失的大小。 3、观察绕流现象、分离点及卡门涡街现象。 二、演示原理 流经固体边界的水流，当达到一定雷诺数时，由于固体边界的形状和大小突然发生变化，在惯性的作用下，就会出现主流与边界分离而产生旋涡，如突然缩小、突然扩大、孔板等处。水流在这些突变的边界处形成局部水流阻力，损失较大能量。在旋涡范围内，水流常表现为高度紊乱并伴随有剧烈摩擦、分裂和撞击作用，部分水流运动的连续性遭受破坏，出现明显的主流与固体边界脱离，而导致大尺度旋涡的产生。 图2-1 绕物体流动平面图 水流绕物体(如闸墩、圆柱等)的流动称为绕流。在绕流中有两种阻力作用于物体上。一是摩擦阻力τ，它是由水流的粘滞性而产生。二是形状阻力P，它由物体前后压差形成。如上图所示圆柱绕流及圆头方尾闸墩绕流。由于绕流时边界层发生分离，在圆柱后面产生旋涡，并产生分离点，边界层分离点的位置随物体形状，表面粗糙度及流速大小而变。旋涡的产生，使绕流物体后部压力小于前部压力形成前后压差，增加了水流对物体的作用力。绕流阻力的大小用下式表示： FD =CDAγu02/2g 式中 CD——绕流阻力系数。是被绕流物体的形状和水流状况的函数,由实验测定。 A——被绕物体垂直水流方向的投影面积。 u0——为水流未受绕流影响以前的速度。 γ——水的容重。 流动演示模拟上述几何边界，并采有气泡示踪法，可以把流动中的流线、边界层分离现象以及旋涡发生的区域和强弱等流动图象清晰地显示出来。 三、演示设备 下图是流动演示装置图。它表示七种不同类型的边界。采用自循环供水方式，只要接通水源和220V电源，即可进行演示。 图2-2 流动显示实验装置简图 Ⅰ型：显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等纵剖面上的流动图象。通过旋涡的强弱，可比较不同边界下局部损失的大小。 Ⅱ型：主要显示以文透利流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴及壁面冲击，圆弧弯道为主要特征的流动图象。 Ⅲ型：显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头，45°弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图象。 Ⅳ型：显示30°弯头、分流、合流、45°弯头、YF溢流阀、蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。 Ⅴ型：主要显示明渠逐渐扩散、单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道的流动状态。能清晰显示边界层分离，分离点位置及卡门涡街的产生与发展过程。 Ⅵ型：主要显示明渠扩散、圆头方尾的桥墩(或闸墩)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现象。 Ⅶ型：这是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。可显示射流附壁现象，即“附壁效应”，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。 四、演示步骤 1、熟悉各型设备，接通电源。 2、打开电源开关，调节调速开关，将进水量开大或关小，观察旋涡的变化情况。 3、观察各边界上分离点的位置变动及卡门涡街的变动情况。 4、演示结束后，关闭电源开关。 五、思考题 1、为什么进水量愈大，旋涡愈强烈? 2、在逐渐收缩段，有无旋涡产生? 3、绕流阻力是怎样产生的?研究绕流阻力的意义何在?