1、流 體 基 礎 實 驗指 導 書 與 報 告鄭建光 編寫 專業 班級學號 姓名中 國 計 量 學 院計量測試工程學院 2009.12目 錄 (一)、雷諾實驗(1)(二)、文透利流量計實驗(5) (三)、沿程水頭損失實驗(10) (四)、局部水頭損失實驗(19)（五）、自循環流動演示儀實驗指導（演示(26)（六）、畢托管測速(34) (一) 雷 諾 實 驗 一、實驗目的要求 1、觀察層流、紊流的流態及其轉換特征； 2、測定臨界雷諾數。掌握園管流態判別準則： 3、學習經典流體力學中應用無量綱參數進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。二、實驗裝置 本實驗的裝置如圖1.1所示。圖1.l 自循壞雷諾實驗

2、裝置圖 1、自循環供水器；2、實驗臺；3、可控硅無級調速器；4、恒壓水箱5、有色水水管； 6、穩水孔板；7、溢流板；8、實驗管道；9、實驗流量調節閥； 供水流量由無級調速器調控使恒壓水箱4始終保持微溢流的程度。以提高進口前水體穩定度。 本恒壓水箱還設有多道穩水隔板，可使穩水時間縮短到35分鐘。有色水經有色水水管5注入實驗管道8，可根據有色水散開與否判別流態。為防止自循環水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。三、實驗原理 四、實驗方法與步驟 1、測記本實驗的有關常數。 2、觀察兩種流態。 打開開關3使水箱充水至溢流水位，經穩定后，微微開啟調節閥9，并注入顏色水于實驗管內。使顏色水流成一直線。

3、通過顏色水質點的運動觀察管內水流的層流流態，然后逐步開大調節閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉變到紊流的水力特征。待管中出現完全紊流后，再逐步關小凋節閥。觀察由紊流轉變為層流的水力特征。 3、測定下臨界雷諾數。 (1)、將調節閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關小調節閥使流量減小，當流量調節到使顏色水在全管剛呈現出一穩定直線時，即為下臨界狀態； (2)、待管中出現臨界狀態時，用體積法或電測法測定流量； (3)、根據所測流量計算下臨界雷諾數，并與公認值(2320)比較，偏離過大，需重測； (4)、重新打開調節閥，使其形成完全紊流，按照上述步驟重復測量不少于三次； (5)、同時用水箱中的溫度計測記水

4、溫，從而求得水的運動粘度。注意： a、每調節閥門一次，均需等待穩定幾分鐘； b、關小閥門過程中，只許漸小，不許開大； c、隨出水流量減小，應適當調小開關(右旋)，以減小溢流量引發的擾動。 4、測定上臨界雷諾數。 逐漸開啟調節閥，使管中水流由層流過渡到紊流，當色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態。測定上臨界雷諾數l2次。五、實驗成果及要求 1、記錄、計算有關常數： 實驗裝置臺號No_ 管徑 cm; 水溫 C運動粘度 = 計算常數 2、整理、記錄計算表實驗次序顏色水線形態水體積時間T（s）流 量雷諾數閥門開度備注123456 實測下臨界雷諾數（平均值） =注：色水形態；穩定直線穩定略彎曲、直線擺動直

5、線抖動、斷續、完全敞開。 六、實驗分析與討論 1、流態判據為何采用無量綱參數, 而不采用臨界流速?2、為何認為上臨界雷諾數無實際意義。而采用下臨界雷諾數作為層流與紊流的判據?實測下臨界雷諾數為多少? 3、雷諾實驗得出的園管流動下，臨界雷諾數為2320。而目前有些教科書中介紹采用的下臨界雷諾數是2000，原因何在? 4、試結合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到紊流的機理何在? 5、分析層流和紊流在運動學特性和動力學特性方而各有何差異。(二) 文丘里流量計實驗 一、實驗目的要求 1、通過測定流量系數，掌握文丘里流量計量測管道流量的技術和應用氣水多管壓差計量測壓差的技術； 2、通過實驗與量綱分析，

6、了解應用量綱分析與實驗結合研究水力學問題的途徑，進而掌握文丘里流量計的水力特性。二、實驗裝置 本實驗的裝置如圖2.1所示。 圖2.1 文丘里流量計實驗裝置圖 1、自循環供水器： 2、實驗臺； 3、可控硅無級調速器： 4恒壓水箱；5、溢流板； 6、穩水孔板； 7、文丘里實驗管段； 8、測壓計氣閥； 9、測壓計； 10、滑尺； ll、多管壓差計； 12、實驗流量調節閥; 在文丘里流量計的兩個測量斷面上，分別有4個測壓孔與相應的均壓環連通，經均壓環均壓后的斷面壓強由電測儀量測量。三、實驗原理根據能量方程式和連續性方程式，可得不計阻力作用時的文丘里管過水能力關系式 式中： 為兩斷面測壓管水頭差。（由電

7、測儀測得） 由于阻力的存在，實際通過的流量恒小于， 今引入一無量綱系數（稱為流量系數）。對計算所得的流量值進行修正。 即； 四、實驗方法與步驟1、測記各有關常數。2、電測儀調0 4、全開調節閥門，待水流穩定后，記錄電測儀讀數，并用秒表、量筒測定流量。 5、逐次關小調節閥。改變流量5次，重復步驟4，注意調節閥門應緩慢。 6、把測量值記錄在實驗表格內，并進行有關計算， 7、實驗結束，需按步驟2校核壓差計足否回零。 五、實驗成果及要求 1、記錄計算有關常數。 實驗裝置臺號_ 。 。 水溫 . .水箱液而標尺值 。 管軸線高程標尺值= 。2、整理記錄計算表；表2.1 記錄表次序電測儀讀數 （cm）水

8、量測量時間（s）12345表2.2 計算表 次序（）（cm）()12345 3、用方格紙繪制與曲線圖，分別取為縱坐標。 六、實驗分析與討論 1、本實驗中,影響文丘里管流量系數大小的因素有哪些? 哪個因素最敏感? 對本實驗的管道而言,若因加工精度影響, 誤將()cm值取代上述值時,本實驗在最大流量下的值將變為多少? 2、為什么計算流量，與實際流量不相等?3、試證氣一水多管壓差計(圖6.2)有下列關系： 4、試應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。 5、文氏管喉頸處容易產生真空，允許最大真空度為67。工程中應用文氏管時，應檢驗其最大真空度是否在允許范圍內。據你的實驗成果，分析本實驗流量計喉頸

9、最大真空值為多少?(三) 沿程水頭損失實驗 一、實驗目的要求 1、加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規律，繪制曲線。 2、掌握管道沿程阻力系數的量測技術和應用氣-水壓差計及電測儀測量壓差的方法。 3、將測得的-關系值與莫迪圖對比，分析其合理性。進一步提高實驗成果分析能力。二、實驗裝置本實驗裝置如圖3.1所示： 圖3.1 自循環沿程水頭損失實驗裝置圖1、 自循環高壓恒定全自動供水器； 2、實驗臺； 3回水管； 4、水壓差計； 5、測壓計； 6、實驗管道； 7、水銀壓差計；8、滑動測量尺；9、測壓點； 10、實驗流量調節閥；11、供水閥和供水管； 12、旁通管與旁通閥； 13、穩壓筒

10、； 根據壓差測法的不同，有兩種形式；型式I： 壓差計測壓差。 低壓差用水壓差計量測；高壓差用水銀多管式壓差計量測。裝置簡圖如圖3.1所示。型式II： 電子量測儀測壓差。 低壓差仍用水壓差計量測； 而高壓差用電子量測儀(簡稱電測儀)量測。 與型式I比較，該型唯一不同在于水銀多管式壓差計被電測儀所取代。 本實驗裝置配備有： 1、自動水泵與穩壓器 自循環高壓恒定全自動供水器由離心泵、自動壓力開關、氣一水壓力罐式穩壓器等組成。壓力超高時能自動停機，過低時能自動開機。為避免因水泵直接向實驗管道供水而造成的壓力波動等影響，離心泵的輸水是先進入穩壓器的穩壓罐，經穩壓后再送向實驗管道。 2、旁通管與旁通閥 由

11、于本實驗裝置所采用水泵的特性，在供小流量時有可能時開時停，從而造成供水壓力的較大波動。為了避免這種情況出現，供水器設有與蓄水箱直通的旁通管(圖中未標出)，通過分流可使水泵持續穩定運行。旁通管中設有調節分流量至蓄水箱的閥門，即旁通閥。實驗流量隨旁通閥開度減小(分流量減小)而增大。實際上旁通閥又是本裝置用以調節流量的重要閥門之一。3、穩壓筒 為了簡化排氣，并防止實驗中再進氣，在傳感器前連接由2只充水(不滿頂)之密封立筒構成。4、電測儀 由壓力傳感器和主機兩部分組成，經由連通管將其接入測點。壓差讀數(以厘米水柱為單位)通過主機顯示。 三、實驗原理 由達西公式 (7.1) 另由能量方程對水平等直徑園管

12、可得； (7.2) 壓差可用壓差計或電測。 對于多管式水銀壓差有下列關系： (7.3) 式中： 、。分別為水銀和水的容重；為汞柱總差。 由圖3.2知 據水靜力學基本方程及等壓面原理有 圖7.2 四、實驗方法與步驟 準備1 對照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作原理；檢查蓄水箱水位是否夠高及旁通閥12是否已關閉? 否則予以補水并關閉閥門。記錄有關實驗常數，工作管內徑管長L(標志于蓄水箱)。 準備2 啟動水泵,本供水裝置采用的是自動水泵。接通電源，全開閥12，打開供水閥ll，水泵自動開啟供水。 準備3 調通待測系統。 1）、夾緊水壓計上水夾，打開出水閥10和進水閥11(逆鐘向)，關閉

13、旁通閥12(順鐘向)，啟動水泵排除管道中的氣體。 2）、水壓計齊平時，則可旋開電測儀排氣旋扭，對電測儀的連接水管通水、排氣并將電測儀調至“000”顯示。3）、實驗裝置通水排氣后，即可進行實驗測量。在閥12、閥ll全開的前提下，逐次開大出水閥10，每次調節流量時，均需穩定23分鐘，流量愈小，穩定時間愈長。測流時間不小于810秒。測流量的同時，需測記水壓計(或電測儀)、溫度計(溫度表應掛在水箱中)等讀數。層流段： 應在水壓計(夏季)，(冬季)量程范圍內。測記35組數據。 紊流段： 夾緊水壓計止水夾，開大流量。用電測儀記錄值。每次增量可按遞加，直至測出最大的值。閥的操作次序是當閥ll、閥10開至最大

14、后，逐漸關閥12，直至顯示最大值。 4）、結束實驗前，應全開閥12，關閉閥10。檢查水壓計與電測儀是否指示為零，若均為零。則關閉閥11，切斷電源。否則，表明壓力計已進氣，需重做實驗。五、實驗成果及要求 1、有關常數。 實驗裝置臺號_ 圓管直徑 量測段長度L 85。 2、記錄及記算(見表7.1)。 3、繪圖分析 繪制曲線,并確定指數關系值的大小，在厘米紙上以為橫坐標，以為縱坐標, 點繪所測的關系曲線，根據具體情況連成一段或幾段直線，求厘米紙上直線的斜率； 將從圖上求得的值與已知各流區的值(即層流l，光滑管流區1.75。粗糙管紊流區2.0，紊流過渡區1.75<<2.0)進行比較，確定流

15、區。 六、實驗分析與討論 1、為什么差壓計的水柱差就是沿程水頭損失? 如實驗管道安裝成傾斜，足否影響實驗成果？ 2、據實測值判別本實驗的流區。 3、實際工程中鋼管中的流動，大多為光滑紊流或紊流過渡區，而水電站泄洪的流動，大多為紊流阻力平方區，其原因何在? 4、管道的當量粗糙度如何測得？ 5、本次實驗結果與莫迪圖吻合予否? 試分析其原因。附錄7.1 實驗曲線繪法建議： 1、圖紙 繪圖紙可用普通厘米紙或對數紙，面積不小于12 X 12： 2、坐標確定 若采用厘米紙，取為縱坐標（繪制實驗曲線般以因變量為縱坐標），為橫坐標。采用對數紙，縱坐標寫，橫坐標用。即不寫成對數。 3、標注 在坐際軸上，分別標明

16、變量名稱、符號、單位以及分度值。 4、繪點 據實驗數據繪出實驗點。 5、繪曲線 據實驗點分布繪制曲線，應使位于曲線兩側的實驗點數大致相等，且各點相對曲線的垂直距離總和也大致相等。沿程水頭損失實驗 記錄及計算表格設備號_; 圓管直徑 0.695； 量測長度； 測次體積時間流量流速水溫粘度雷諾數沿程損失沿程損失系數1360586.20616.361100.01306870.671.30.077830.07351235740.28.8823.40810.50.012881263.11.750.051180.0507330530.310.0626.53310.50.012881431.71.950.0

17、4440.0447436331.211.6330.668110.01271678.32.30.039190.03813543031.713.5635.756110.01271956.72.80.03510.03276189011.4165.7437.01110.0127239152990.02509720009.5210.5554.9411.50.01251308304540.0236818407.1259.1683.12120.0123638411642.60.02207919056.8280.1738.45120.0123641523749.70.02203101112(四) 局部阻力損失

18、實驗 一、實驗目的要求 1、掌握三點法、四點法量測局部阻力系數的技能； 2、通過對園管突擴局部阻力系數的包達公式和突縮局部阻力系數的經驗公式的實驗驗證與分析, 熟悉用理論分析法和經驗法建立函數式的途徑： 3、加深對局部阻力損失機理的理解。二、實驗裝置 本實驗裝置如圖8.1所示。 圖8.1 局部阻力系數實驗裝置圖1、自循環供水器；2、實驗臺；3、可控硅無級調速器；4、恒壓水箱；5、溢流扳； 6、穩水孔板；7、突然擴大實驗管段； 8、測壓計； 9、滑動測量尺； 10、測壓管； 11、突然收縮實驗管段； 12、實驗流量調節閥； 實驗管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設有六個測壓孔。測孔1-3和3

19、-6分別測量突擴和突縮的局部阻力系數。其中測孔1位于突擴界面處，用以測量小管出口端壓強值。三、實驗原理 寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據推導條件，扣除沿程水頭損失可得： 1、突然擴大采用三點法計算，下式中由按流長比例換算得出， 實測 理論 2、突然縮小 采用四點法計算，下式中B點為突縮點。由換算得出。 由換算得出。實測 經驗 ； 四、實驗方法與步驟 1、測記實驗有關常數。 2、打開電子調速器開關，使恒壓水箱允水，排除實驗管道中的滯留氣體。待水箱溢流后，檢查泄水閥全關時，各測壓管液而是否齊平。若不平，則需排氣調平。 3、打開泄水閥主最大開度，待流量穩定后，測記測壓管讀數。同時用體積法或用電

20、測法測記流量。 4、改變泄水閥開度34次。分別測記測壓管讀數及流量。 5、實驗完成后關閉水閥，檢查測壓管液面是否齊平？否則，需重做。五、實驗成果及要求 1、記錄、記算有關常數： 實驗裝置臺號_ .2、整理記錄、計算表。 3、將實測值與理論值(突擴)或公認值(突縮)比較.表8.1 記錄表次序流 量 ()測 壓 管 讀 數 ()體 積時 間流 量12345678表8.2 計算表阻力形式次序流 量前 斷 面后 斷 面突然擴大12345突然縮小12345 六、實驗分析與討論 1、結合實驗成果,分析比較突擴與突縮在相應條件下的局部損失大小關系。 2、結合流動儀演示的水力現象，分析局部阻力損失機理何在?

21、產生突擴與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里? 怎樣減小局部阻力損失? 3、現備有一段長度及聯接方式與調節閥(圖3.1)相同，內徑與實驗管道相同的直管段，如何用兩點法測量閥門的局部阻力系數。4、實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數()如下：試用最小二乘法建立局部阻力系數的經驗公式。序號123450.20.40.60.81.00.480.420.320.180局部阻力損失實驗 記 錄 表設備號：， 。 。 。 。 。 。次數流量 測 壓 管 讀 數 （）體積時間1234561195517.915.0518.918.518.354.32.62198018.017.1020.6520.2520.

22、17.45.753182018.819.522.522.1521.9510.959.54180020.622.725.124.8524.715.7514.65184024.425.927.727.4527.3520.619.76 局部阻力損失實驗 計 算 表 格次數阻力形 式流 量前 斷 面后 斷 面1突然擴大109.217910.2709625.32090.741341419.841345.4796170.5335055.4935-0.00252104.44449.39277926.49270.677955921.527964.9648240.5285785.023799-0.0117396

23、.808528.06957327.56950.58244923.257454.3121240.5343684.316073-0.0009487.378646.57406529.27400.474505525.699513.574560.5437363.5161890.0166575.409844.89642930.79640.353416428.178422.6180110.5346772.618892-0.000361突然縮小109.21790.741341419.01639.48126315.481263.5350780.3728483.4150320.03522104.44440.677

24、955920.70298.67060517.72062.9823520.3439613.123044-0.0450396.808520.58244922.43247.44913519.849132.5833160.3467942.683085-0.0372487.378640.474505525.09956.06861122.968612.1308960.3511342.185838-0.0251575.409840.353416427.65344.51996126.019961.6334550.3613871.6280340.00336 (五) 壁掛式自循環流動演示儀 安裝使用說明與實驗指導

25、 一、儀器簡介 l、結構 儀器組成如圖5.1所示。 圖5.1 結構示意圖1、掛孔； 2、彩色有機玻璃面罩； 3、不同邊界的流動顯示面； 4、加水孔孔蓋； 5、摻氣量調節閥； 7、可控硅無級調節旋鈕； 8、電器、水泵室； 9、標牌 10、鋁合金框架后蓋； 6、蓄水箱； 2、工作原理 該儀器以氣泡為示蹤介質。狹縫流道中設有特定邊界流場，用以顯示內流、外流、射流元件等多種流動圖譜。半封閉狀態下的工作液體(水)由水泵驅動自蓄水箱6(圖5.1)經摻氣后流經顯示板，形成無數小氣泡隨水流流動，在儀器內的日光燈照射和顯示板底板的襯托下，小氣泡發出明亮的折射光，清楚地顯示出小氣泡隨水流流動的圖象。由于氣泡的粒徑

26、大小、摻氣量的多少可由閥5任意調節，故能使小氣泡相對水流流動具有足夠的跟隨性。顯示板設計成多種不同形狀邊界的流道。因而，該儀器能十分形象、鮮明地顯示不同邊界包括分離、尾流、旋渦等多種流動圖譜。 本儀器流動為自循環，其流程如圖5.2所示。 圖5.2三、實驗指導 各實驗儀演示內容及實驗指導提要如下： l、ZL-1型(圖5.3a) 用以顯示逐漸、擴散、逐漸收縮、突然擴大、突然收縮、壁面沖擊、直角彎道等平面上的流動圖象，模擬串聯管道縱削面流譜。在逐漸擴散段可看到由邊界層分離而形成的旋渦，且靠近上游喉頸處，流速越大，渦旋尺度越小，紊動強度越高；而在逐漸收縮段，無分離，流線均勻收縮，亦無旋渦，由此可知，逐

27、漸擴散段局部水頭損失大于逐漸收縮段。 在突然擴大段出現較大的旋渦區，而突然收縮段只在死角處和收縮斷面后的進口附近出現較小的旋渦區。表明突擴段比突縮段有較大的局部水頭損失(縮擴的直徑比大于0.7時例外)，而且突編段的水頭損失主要發生在突縮斷面后部。 由于本儀器突縮段較短，故其流譜亦可視為直角進口管咀的流動圖像。在管咀進口附近，流線明顯收縮，并有旋渦產生，致使有效過流斷面減小，流速增大。從而在收縮斷面出現真空。 在直角彎道和壁面沖擊段，也有多處旋渦區出現。尤其在彎道流中，流線彎曲更劇，越靠近彎道內側，流速越小。且近內壁處，出現明顯的回流，所形成的回流范圍較大，將此與ZL一2園角轉彎流動對比，直角彎

28、道旋渦大，回流更加明顯。旋渦的大小和紊動強度與流速有關。這可通過流量調節觀察對比，例流量減小，漸擴段流速較小，其紊動強度也較小，這時可看到在整個漸擴段有明顯的單個大尺度渦旋。反之，當流量增大時，這單個大尺度渦旋隨之破碎，并形成無數個小尺度的渦旋，且流速越高，紊動強度越大，則旋渦越小，可以看到，幾乎每一個質點都在其附近激烈地旋轉著。又如，在突擴段，也可看到旋渦尺度的變化。據此清楚表明：紊動強度越大，渦旋尺度小，幾乎每一個質點都在其附近激烈地旋轉著。由于水質點間的內磨擦越厲害，水頭損失就越大。圖5.3 顯示面過流道示意圖2、 ZL-2型(圖5.3b) 顯示文丘里流量計、孔板流量計、園弧進口管咀流量

29、計以及壁面沖擊、園弧形彎道等串聯流道縱剖面上的流動圖像。 由顯示可見，文丘里流量計的過流順暢，流線順直，無邊界層分離和旋渦產生。在孔板前，流線逐漸收縮，匯集于孔板的孔口處，只在拐角處有小旋渦出現，孔板后的水流逐漸擴散，并在主流區的周圍形肆較大的旋渦區。由此可知，孔板流量計的過流阻力較大：園弧進口管咀流量計入流順暢，管咀過流段上無邊界層分離和旋渦產生：在園形彎道段，邊界層分離的現象及分離點明顯可見，與直角彎道比較，流線較順暢，旋渦發生點少。 由上可了解三種流量計結構、優缺點及其用途。如孔板流量計結構簡單，測量精度高，但水頭損失很大。作流量計損失大是缺點，但有時將其移作它用，例工程上的孔板消能(詳

30、下述)又是優點。另外從型1或2的彎道水流觀察分析可知，在急變流段測壓管水頭不按靜水壓強的規律分布，其原因何在？ 這有兩方面的影響：離心慣性力的作用，流速分布不均勻(外側大、內側小井產生回流)等原因所致。該演示儀所顯示的現象還表征某些工程流況，如下三例。 1)、孔板式有壓遂道的泄洪消能； 如黃河小浪底電站，在有壓隧洞中設置了五道孔板式消能工。使泄洪的余能在隧洞中消耗，從而解決了泄洪洞出口缺乏消能條件時的工程問題。其消能的機理，水流形態及水流和隧洞間的相互作用等，與孔板出流相似。 2)、園弧形管咀過流； 進口流線順暢，說明這種管咀流量系數較大(約為0.98)。可將此與ZL一1型的直角管咀對比觀察，

31、理解直角進口管咀的流量系數較小(約為0.82)的原因。3)、喇叭形管道取水口; 結合ZL一1型的演示可幫助學生了解為什么喇叭形取水口的水頭損失系數較小(約為0.050.25，而直角形的約為0.5)的原因。 這是由于喇叭形進口符合流線型的要求。 3、ZL-3型(圖5.3c) 顯示30彎頭、直角園弧彎頭、直角彎頭，45彎頭以及非自由射流等流段縱剖面上的流動圖像。 由顯示可見，在每一轉彎的后面，都因邊界層分離而產生旋渦。轉彎角度不同，旋渦大小、形狀各異。在園弧轉彎段，流線較順暢，該串聯管道上，還顯示了局部水頭損失疊加影響的圖譜。在非自由射流段，射流離開噴口后，不斷卷吸周圍的流體，形成射流的紊動擴散。

32、在此流段上還可看到射流的“附壁效應”現象。 綜上所述，該儀器可演示的主要流動現象為； 1)、各種彎道和水頭損失的關系。 2)、短管串聯管道局部水頭損失的疊加影響。這是計算短管局部水頭損失時，各單個局部水頭損失之和并不一定等于管道總局部水頭損失的原因所在。3)、非自由射流。 據專業的不同可分別側重于紊動擴散、旋渦形態或射流的附壁效應等。例對水工、河港等專業的學生，可結合河道的沖淤問題加以解說。從該裝置的一半看(以中間導流桿為界)，若把導流桿當作一側河岸，主流沿河岸高速流動。由顯示可見，該河岸受到水流的嚴重沖刷。而在主流的外側，產生大速度回旋，使另一側河岸也受到局部淘刷。在噴嘴附近的回流死角處，因

33、流速小，紊動度小，則出現淤積。這些現象在天然河道里是常有的。又如對熱工和化工一類，則可側重于紊動擴散和介質傳輸。對暖通專業則可側重于通風口布置對紊摻均勻度的影響等。 4、ZL-4型(圖5.3d) 顯示30彎頭、分流、合流、45彎頭、YF溢流閥、閘閥及蝶閥等流段縱剖面上的流動圖譜。其中YF溢流閥固定，為全開狀態，蝶閥活動可調。 由顯示可見，在轉彎、分流、合流等過流段上，有不同形態的旋渦出現。合流渦旋較為典型，明顯干擾主流，使主流受阻。閘閥半開，尾部旋渦區較大，水頭損失也大。蝶閥全開時，過流順暢，阻力小，半開時，尾渦紊動激烈，表明阻力大且易引起振動。蝶閥通常作檢修用，故只允許全開或全關。YF溢流閥

34、結構和流態均較復雜，詳如下所述。 YF溢流閥廣泛用于液壓傳動系統。其流動介質通常是油，閥門前后壓差可高達315bar，閥道處的流速每秒可高達二百多米。本裝置流動介質是水，為了與實際閥門的流動相似(雷諾數相同)，在閥門前加一減壓分流，該裝置能十分清晰地顯示閥門前后的流動形態：高速流體經閥口噴出后，在閥蕊的大反弧段發生邊界層分離，出現一圈旋渦帶：在射流和閥座的出口處，也產生一較大的旋渦環帶。在閥后，尾跡區大而復雜，并有隨機的卡門渦街產生。經閥蕊部流過的小股流體也在尾跡區產生不規則的左右擾動，調節過流量，旋渦的形態仍然不變。 該閥門在工作中，由于旋渦帶的存在，必然會產生較激烈的振動，尤其是閥蕊反弧段

35、上的旋渦帶，影響更大，由于高速紊動流體的隨機脈動，必然要引起旋渦區真空度的脈動，這一脈動壓力直接作用在閥蕊上，引起閥蕊的振動，而閥蕊的振動又作用于流體的脈動和旋渦區的壓力脈動，因而引起閥蕊的更激烈振動。顯然這是一個很重要的振源，而且這一旋渦帶還可能引起閥蕊的空蝕破壞。另外，顯示還表明，閥蕊的受力情況也不太好。利用該裝置不但能獲得十分滿意的教學演示效果，而且還直接為改進閥門的性能提供了直視根據。 5、 ZL-5型(圖5.3e) 顯示明渠逐漸擴散，單園柱繞流、多園柱繞流及直角彎道等流段的流動圖像。園柱繞流是該型演示儀的特征流譜。 由顯示可見，單園柱繞流時的邊界層分離狀況、分離點位置、卡曼渦街的產生

36、與發展過程以及多園柱繞流時的流體混合、擴散、組合旋渦等流譜，現分述如下： 1)、駐滯點 觀察流經前駐滯點的小氣泡，可見流速的變化由,流動在駐滯點上明顯停滯(可結合說明能量的轉化及畢托管流速原理)。 2)、邊界層分離 結合顯示圖譜，說明邊界層、轉捩點概念并觀察邊界層分離現象，邊界層分離后的回流形態以及園柱繞流轉捩點的位置。 邊界層分離將引起較大的能量損失。結合慚擴段的邊界層分離現象，還可說明邊界層分離后會產生局部低壓，以致于有可能出現空化和空蝕破壞現象。如文氏管喉管出口處(參空化機理實驗儀說明)。 3)、卡曼渦街 圓柱的軸與來流方向垂直。在圓柱的兩個對稱點上產生邊層分離后，不斷交替在兩側產生旋轉

37、方向相反的旋渦，并流向下游，形成馮·卡曼“渦街”。 對卡曼渦街的研究，在工程實際中有很重要的意義。每當一個旋渦脫離開柱體時，根據湯姆遜(Thomson)環量不變的定理， 必然在柱體上產生一個與旋渦所具有的環量大小相等方向相反的環量，由于這個環量使繞流體產生橫向力，即升力。注意到在柱體的兩側交替地產生著旋轉方向相反的旋渦，因此柱體上的環量的符號也交替變化，橫向力的方向也交替地變化。這樣就使柱體產生了一定頻率的橫向振動。若該頻率接近柱體的自振頻率，就可能產生共振，為此常采取一些工程措施加以解決。 應用方面，可舉卡曼渦街流量計，參照流動圖譜加以說明。從園柱繞流的圖譜可見，卡曼渦街的頻率不僅

38、與Re有關，也與管流的過流量有關。若在繞流柱上，過園心打一與來流方向相垂章的通道，在通道中裝設熱絲等敏感測量元件，則可測得由于交變升力引起的流速脈動頻率，根據頻率就可測出管道的流量。 卡曼渦引起的振動及其實例，觀察渦街現象，說明升力產生的原理。那么繞流體為何會產生振動以及為什么振動方向與來流方向相垂直等問題也就迎刃而解了。 作為實例，如風吹電線，電線會發出共鳴(風振)；潛艇在行進中，潛望鏡會發生振動，高層建筑(高煙囪等)在大風中會發生振動等，其根源概出于卡曼渦街。 4)、多園柱繞流，被廣泛用于熱工中的傳熱系統的“冷凝器”及其他工業管道的熱交換器等，流體流經園柱時，邊界層內的流體和柱體發生熱交換

39、，柱體后的旋渦則起混摻作用，然后流經下一柱體，再交換再混摻。換熱效果較佳。另外，對于高層建筑群，也有類似的梳動圖像，即當高層建筑群承受大風襲擊時，建筑物周圍也會出現復雜的風向和組合氣旋，即使在獨立的高建筑物下游附近，也會出現分離和尾流。這應引起建筑師的重視。6、 ZL-6型(圖5.3f) 顯示明渠漸擴、橋墩形鈍體繞流、流線體繞流、直角彎道和正、反流線體繞淹等流段上的流動圖譜。 橋墩形柱體繞流 該繞流體為圓頭方尾的鈍形體，水流脫離橋墩后，形成一個旋渦區尾流，在尾流區兩側產生旋向相反且不斷交替的旋渦，即卡曼渦街。與圓柱繞流不同的是，該渦街的頻率具有較明顯的隨機性。 該圖譜主要作用有二： 1)、說明

40、了非園柱體繞流也會產生卡曼渦街； 2)、對比觀察園柱繞流和該鈍體繞流可見；前者渦街頻率f在Re不變時它也不變；而后者，即使Re不變f卻隨機變化。由此說明了為什么園柱繞流頻率可由公式計算，而非園柱繞流頻率一般不能計算的原因。 解決繞流體的振動問題途徑有三： 改變流速；改變繞流體自振頻率；改變繞流體結構形式，以破壞渦街的固定頻率，避免共振。如北大力學系曾據此成功地解決了一例120M煙囪的風振問題。其措施是在煙囪的外表加了幾道螺紋形突體，從而破壞了園柱繞流時的卡曼渦街的結構并改變了它的頻率，結果消除了風振。 流線形柱體繞流 這是繞流體的最好形式，流動順暢，形體阻力最小。又從對比正、反流線體流動可見，

41、當流線體倒置時，也出現卡曼渦街。因此，為使過流平穩，應采用順流而放的園頭尖尾形柱體。7、 ZL-7型(圖5.3g) 這是一只“雙穩放大射流閥”流動原理顯示儀。經噴嘴噴射出的射流(大信號)可附于任一側面，若先附于左壁，射流經左通道后，向右出口輸出；當旋轉儀器表面控制圓盤，使左氣道與圓盤氣孔相通時(通大氣)，因射流獲得左側的控制流(小信號)，射流便切換至右壁，流體從左出口輸出。這時再轉動圓盤，切斷氣流，射流穩定于原通道不變。如要使射流再切換回來，只要再轉動控制圓盤，使右氣道與圓盤氣孔相通即可。因此，該裝置既是一個射流閥，又是一個雙穩射流控制元件。只要給一個小信號(氣流)，便能輸出一個大信號(射流)

42、，并能把脈沖小信號保持記憶下來。 由演示所見的射流附壁現象，又被稱作“附壁效應”。利用附壁效應可制成“或門”、 “非門”、“或非門”等各種射流元件，并可把它們組成自動控制系統或自動檢測系統。由于射流元件不受外界電磁干擾，較之電子自控元件有其獨特的優點。 故在軍工方面也有它的用途。962年在浙江嘉興二萬二千米高空用導彈擊落的U一2型高空偵察機，所用的自控系統就由這種射流元件組成。射流元件在其它工控中亦有廣泛應用。從中可讓同學進一步了解流體力學應用領域之廣泛性，既可培養學習興趣又能得到啟迪。 這種裝置在連續流中可利用工作介質直接控制液位。 在演示過程中，氣流完全切斷以后，流道內無氣體摻入，會影響演示鉸果，這時只要