流体力学流动演示实验

第一部分基础性实验

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八府巡抚是几品官 流线流谱特征。

1.2实验装置

说明：本实验装置包括 3种型号的流谱仪型演示机翼绕流流线分布，型演示 圆柱绕流

，1

∏

流线分布，川型演示文丘里管、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

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流体力学实验指导书

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） 型演示仪。

I

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，家乡变化的作文 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） 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） 川型演示仪。

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?

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第一部分基础性实验

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) 观察各种边甜蜜的句子 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、卡门涡街的发生党员自我评价 机理。

2.2实验装置

流动演示仪实验装置如图 2.1所示。

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流体力学实验指导书

直第巻道 L圆紙形弯道

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風柱望流

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耳关

V

型

Vl

型

图2.1流动演示实验装置图

O

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) 型演示仪。 ____

I

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

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第一部分基础性实验

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） 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。而型演 示仪中直角弯道旋涡大，回流更加明显。

I

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） 川型演示仪。

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） 型演示仪。

W

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

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流体力学实验指导书

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 定。由于

旋涡带的存在，必然会产生较激烈的振动，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。

5） 型演示仪

V

演示明渠逐渐扩散、单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流动图像。

在明渠逐渐扩散段，可看到由边界层分离而形成的旋涡，边界层分离将引起较大的 能量损

失。单圆柱绕流时，可观察到边界层分离状况、分离点位置、滞止点、卡门涡街 的产生与发展过

程。观察到多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。

卡门涡街是指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“涡街”。通过观察涡街现象，分析升力 产生的原理、绕流

物体产生振动以及振动方向与来流方向相垂直的问题。

多圆柱绕流广泛用于热工传热系统的“冷凝器”和其他工业管道的热交换器。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。

6） 型演示仪

W

演示明渠逐渐扩散、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 流动图谱。

桥墩形钝体绕流显示：在尾流区也有卡门涡街现象，不过和圆柱绕流的涡街频率有 所不同，

圆柱绕流的涡街频率在 Re数不变时不会发生变化，而在非圆柱绕流时涡街频

率却随机变化。

关于绕流物体的振动问题，有三种途径解决：一是改变流速；二是改变绕流体自振 频率；三

是改变绕流体结构形式，破坏涡街的固有频率，避免共振。

流线形柱体绕流是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。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，应采用顺流人的英语怎么说 而 放的圆头尖尾形柱

体。

7） 四型演示仪

这是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。射流经喷嘴喷射后，如果先附于左 壁，射流

经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔 相通时（通大

气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左 出口输出。这时若再

转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如要射流再切 换回来，只要转动控制圆盘，

使右气道与圆盘气孔相通即可。因此，该装置既是一个射 流阀，又是一个双稳射流控制元件。只

要给一个小信号（气流），便能够输出一个大信 号（射流），并能把脉冲小信号保持记忆下来。

由演示所见的射流附壁现象， 又被称作“附壁效应”。利用附壁效应可制成 “或门”、

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第一部分基础性实验

“非门”、“或非门”等各种射流元件，并可把它们组成自动 控制系

统或自动检测系统。由于射流元件不受外界电磁干扰， 比电子自控元件

有独特的优势。

在装置中配置了液位自动控制装置， 该装置就是射流元件

在自动控制中的应用。图 2.3为双稳放大射流阀与双水箱容器 及4根连

通管连通各处位置示意图。

水泵启动后，流道喉管 、处由于过流断面较小，流 速过大，形

ab

22

成真空。当喉管 、处压力不一致时，使射流 偏向一侧而形成“附壁

ab

22

效应”。如果射流偏向如图所示左侧，

则右侧水箱水位因处真空作用下抽吸而下降，同时， → 过

baa

243

流，出口处的薄膜

a

3

逆止阀打开，左水箱加水。当右水箱液位下降到小孔高程时，气流经

b

1

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1222

进入，处 升压，使射流切换到另一流道即右侧。此时 动物作文200字 处由

于真空作用而从 处抽吸左水箱水，

a

1

aaabbb

3333

、间断流，处薄膜逆止阀关闭。 → 过流，出口处的薄膜逆止阀打开，

44

右水箱加水。如此往复循环自动切换。

图2.3射流元件示意图

★操作要领与注意事项： 通过旋动掺气量调节阀改变掺气量，可达到最佳显示效果。注

意有滞后性，调节应缓慢进行。掺气量不宜太大，否则，会阻断水流或产生振动。

2.4分析与思考

1）结合紊动机理实验，分析流动紊动强度、涡旋大小与水头损失之间关系。

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 检修用，故只允许全开或全关。

2）在弯道等急变流段测压管水头不按静水压强规律分布的原因是什么？分析绕流 物体产生

振动的原因，如何避免？非圆柱绕流是否会产生卡门涡街？

涡流的存在

3） 试分析天然河道的弯道一旦形成，在水流的作用下河道会越来越弯还是逐渐变 直？

越来越弯

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