自循环流动演示仪使用说明书 

一、实验目的要求

1.观察流体运动时的流线。

2.观察流体绕过固体边界流动时的流动现象。

3.观察均匀流、渐变流、急变流的流线。

二、实验装置

该仪器用有机玻璃制成，是以狭缝流道为显示屏面，水为工作流体，空气泡为示踪介质，由显示屏、水泵、掺气装置、供水箱等组成的壁挂式自循环流动演示仪。通过在水流中掺气的方法演示出不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流谱。整个仪器由6个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，也可以同时使用。

实验过程中需注意：①打开或关闭进水阀门的过程要慢，不要突开、突关。②有些单元典型流谱只会出现在合适的进水流量情况，进水过多或过少均不适宜。

 三、实验演示内容

1、图（1)用以显示逐渐扩散、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边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度越小，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，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。

在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩只在死角处和收缩断面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后部。

由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图像。在管咀进口附近，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。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。且近内壁处，出现明显的回流，所形成的回流范围较大，将此与（2）型中园角转弯流动对比，直角弯道旋涡大，回流更加明显。

旋涡的大小和紊动强度与流速有关。这可通过流量调节观察对比，例如流量减小，渐扩段流速较小，其紊动强度也较小，这时可看到在整个扩散段有明显的单个大尺度涡旋。反之，当流量增大时，这种单个尺度涡旋随之破碎，并形成无数个小尺度的涡旋，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。又如，在突扩段，也可看到旋涡尺度的变化。据此清楚表明：紊动强度越大，涡旋尺度越小，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。由于水质点间的内磨擦越厉害，水头损失就越大。

2、图（2）显示文丘里流量计、孔板流量计、园弧进口管咀流量计以及壁面冲击、园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，无边界层分离和旋涡产生。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较大；园弧进口管咀流量计入流顺畅，管咀过流段上无边界层分离和旋涡产生；在园形弯道段，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。

由上可了解三种流量计结构、优缺点及其用途。如孔板流量计结构简单，测量精度高，但水头损失很大。作为流量计损失大是缺点，但有时将其移作它用，例如工程上的孔板消能(详下述)又是优点。另外从图（1）或（2）的弯道水流观察分析可知，在急变流段测压管水头不按静水压强的规律分布，其原因何在?这有两方面的影响：①离心惯性力的作用，②流速分布不均匀(外侧大、内侧小并产生回流)等原因所致。该演示仪所显示的现象还表征某些工程的流动特点，如下三例。

1)板式有压隧道的泄洪消能。如黄河小浪底电站，在有压隧洞中设置了五道孔板式消能工。使泄洪的余能在隧洞中消耗，从而解决了泄洪洞出口缺乏消能条件时的工程问题。其消耗的机理，水流形态及水流和隧洞间的相互作用等，与孔板出流相似。

2)园弧形管咀过流。进口流线顺畅，说明这种管咀流量系数较大(zui大可达0.98)可将此与图（1）所示的直角管咀对比观察，理解直角进口管咀的流量系数较小(约为0．82)的原因。

3)嗽叭形管道取水口。结合图（1）的演示，可帮助学生了解为什么喇叭形取水口的水头损失系数较小(约为0．05～0．25，而直角形的约为0．5)的原因。这是由于喇叭形进口符合流线型的要求。

3、图（3）显示30^。弯头、直角园弧弯头、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像。

由显示可见，在每一转弯的后面，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。在园弧转弯段，流线较顺畅。该串联管道上，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。

综上所述，该仪器可演示的主要流动现象为：

1)各种弯道和水头损失的关系。

2)短管串联管道局部水头损失的叠加影响。这是计算短管局部水头损失时，各单个局部水头损失之和并不一定等于管道总局部水损失的原因所在。

3)非自由射流。据授课对象专业不同可分别侧重于紊动扩散、旋涡形态或射流的附壁效应等。例对水工、河港等专业的学生，可结合河道的冲淤问题加以解说。从该装置的一半看(以中间导流杆为界)，若把导流杆当作一侧河岸，主流沿河岸高速流动。由显示可见，该河岸受到水流的严重冲刷。而主流的外侧，产生大速度回流，使另一侧河岸也受到局部淘刷。在喷嘴附近的回流死角处，因流速小，紊动度小，则出现淤积。这些现象在天然河道里是常有的。又如对热工和化工一类，则可侧重于紊动扩散和介质传输。对暖通专业则可侧重于通风口布置对紊掺均匀度的影响等。

4、图（4）显示30^。弯头、分流、合流、45^。弯头，YF一溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF—一溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。

由显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”现象。为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45^。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。蝶阀通常作检修用，故只允许全开或全关。

YF——溢流阀结构和流态均较复杂，如下所述。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315bar，阀道处的流速每秒可高达二百多米。本装置流动介质是水，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。调节过流量，旋涡的形态基本不变，表明在相当大的雷诺数范围内，旋涡基本稳定。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，影响更大，由于高速紊动流体的随机脉动，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，而且这一旋涡环带还可能引起阀芯的空蚀破坏。另外，显示还表明，阀芯的受力情况也不太好。

利用该装置不但能获得十分满意的教学演示效果，而且还直接为改进阀门的性能提供了直视根据。

5、图（5）显示明渠逐渐扩散，单园柱绕流、多园柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。园柱绕流是该型演示仪的特征流谱。

由显示可见，单园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园柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱，现分述如下：

1)滞止点观察流经前驻滞点的小气泡，可见流速的变化由，流动在滞止点上明显停滞(可结合说明能量的转化及毕托管测速原理)。

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园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(参空化机理实验仪说明)。

3)卡门涡街圆柱的轴与来流方向垂直。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(VonKarman)“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，必须在柱体上产生一个与旋涡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，为此常采取一些工程措施加以解决。应用方面，可举卡门涡街流量计，参照流动图谱加以说明。从园柱绕流的图谱可见，卡门涡街的频率不仅与Re有关，也与管流的过流量有关。若在绕流柱上，过园心打一与来流方向相垂直的通道，在通道中装设热丝等感应测量元件，则可测得由于交变升力引起的流速脉动频率，根据频率就可测量管道的流量。

卡门涡街引起的振动及其实例：观察涡街现象，说明升力产生的原理。绕流体为何会产生振动以及为什么振动方向与来流方向相垂直等问题，都能通过对该图谱观测分析迎刃而解。作为实例，如风吹电线，电线会发出共鸣(风振)；潜艇在行进中，潜望镜会发生振动，高层建筑(高烟囱等)在大风中会发生振动等，其根据概出于卡门涡街。

4)多园柱绕流，被广泛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，流体流经园柱时，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。这应引起起建筑师的重视。

6、图（6）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)对比观察园柱绕流和该钝体绕流可见：前者涡街频率f在Re不变时它也不变：而后者，即使Re不变f却随机变化。由此说明了为什么园柱绕流频率可由公式计算，而非园柱绕流频率一般不能计算的原因。

解决绕流体的振动问题途径有三：①改变流速；②改变绕流体自振频率；③改变绕流体结构形式，以破坏涡街的固定频率，避免共振。

如北大力学系曾据此成功地解决了一例120m烟囱的风振问题。其措施是在烟囱的外表加了几道螺纹形突体，从而破坏了园柱绕流时的卡门涡街的结构并改变了它的频率，结果消除了风振。

流线形柱体绕流，这是绕流体的形式，流动顺畅，形体阻力zui小。又从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也出现卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的园头尖尾形柱体。

五、实验成果及要求

1.根据演示结果分析各单元的流谱特性。

2.在各单元内显示的流谱中，为什么有的地方产生分离、漩涡，解释这些现象发生的原因。

六、实验分析与讨论

1.旋涡区与水流能量损失有什么关系？

2.指出演示设备中急变流区。