层流喷泉在人造水景中的应用

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1、层流喷泉在人造水景中的应用徐元德  贾济福  层流喷泉（光亮泉、跳泉），发明于上世纪八十年代，是现代流体力学中的一项新成果，已成为目前人工喷泉中的一种新、奇、特水型，被广泛应用。其结构、原理和技术问题值得去探讨。  一、概述  层流喷泉的喷口出流流速低，流体质点作有条不紊的线性运动，彼此互不混杂。该液流流态的雷诺准数Re处于2320～13800范围内。2320为下临界点；保证层流状态，就必须控制上临界值在13800以下，这取决于水流受外界扰动的影响程度。外界扰动愈强，上临界的雷诺准数就愈大。  层流喷头具有消除外界对水流干扰的对应措施，使水射流始终保持层流状态，

2、形成玻璃柱状透明出水水柱。其边界层水射流与大气层空气，不发生掺气扩散两相流；水射流的水气界面保持光滑完整，可以像光纤一样对水柱中的光线进行全反射。从而为戏水活动及彩虹隧道等新、奇、特水形提供了可实施的条件。  层流喷泉可产生很薄的均匀水膜，形成“水泡泉”、“宝石泉”等水形；配套灯光照明，就形成彩虹隧道。若配备水力、电动或气动切割机构，将连续的玻璃状水柱切割成不同长度的“水弹”，就可形成“玻光跳泉”等各种动感水景。  层流喷头区别于普通喷头的特殊结构，是层流喷泉的技术关键所在。  二、喷头结构  层流喷泉与其它人造水景一样，需要水泵从吸水口吸入流体（水）；加压后，

3、通过输水管道、阀门，经喷头（口）射出水射流。由于层流喷头出口流速低，流量小，射程及喷高均受到了很大限制，故此不易形成壮观的水景。国内现有层流喷头，一般射高Hmax＜3m，最大射程Lmax＜9m，玻璃水柱直径d在20mm左右，抗风能力较差，远不能满足室外大型水景喷泉的要求；效果不很理想，与国外先进产品比较，尚有较大差距（见图1）。  水通过滤网9，经水泵加压，进入水流室；压力水通过八层流水调节板7，使之处于层流状态，从喷嘴射出玻璃状层流水柱。步进电机（驱动电压24V）带动切割刀片4，在切割驱动室3中，把玻璃状水柱切割成一段段“水弹”；经盖1的中央孔射向空中。上防溅

4、护板2和降低防溅护板5，使切割过程中被挡之水，回落到水流室。  橡胶密封垫8保证了水泵出水口处的密封性。照明灯6可使玻璃状水柱呈各种各色彩虹，形成彩虹隧道。  当倾角为45°，射高2m，理论计算出抛物线轨迹Lmax=8.6m。因受风及空气阻力影响，一般射距约为6m（见图2）。  流水调节板有时采用泡沫塑料垫板替代，是产生层流流态的核心（见图3）。  三、性能和参数  根据物体抛射原理，处于与水平面呈75°喷射角，最大射高3m时，水射流出口流速应为        。代入H=3m，?=75°，g=9.81m/s2，可得V=7.94m/s，取8m/s计。  假设喷头出

5、口直径d=20mm，则水泵流量　　　　　　　　。由于流水调节板网孔或多孔泡沫塑料垫板阻力大，水泵最大压力应远大于高程水头。一般为2～2.5倍。  如图1所示，国外某公司生产的层流喷头的参数为：  水泵最大流量Q=7.2m3/h，最大出口水压头H=7.7mH2O。  层流喷头照明采用12V，75～100W高能冷卤灯,照射角20°～30°。  由于水泵出口处的流量和水压头均较低，功率、电机启动及额定电流不大，和采用230V/50Hz电源。此时，电机额定电流1.17～1.82A，功率250～400W。  为确保出口层流流态,流量与扬程可采用电机调频或调速控制实现。  

6、四、切割机构  切割机构的作用是把透明的玻璃状水柱切割成一段段类似“水弹”的小柱体，供戏耍或观赏时增加动感。  透明水柱的长短，决定于切割速度的快慢。切割频率愈大，切出的“水弹”愈短且密，动感性愈强。机械或水力式、以及气动式切割机构，切割速度一般低于100次/min；而采用步进电机或伺服电机直接驱动切割刀，切割速度高达500次/min。以水射流流速5m/s计，“水弹”长度≤250mm。  加大切割刀遮断部分尺寸，相邻两透明水柱的间隔会增大，“水弹”长度回缩短。  更换切割刀片形状、尺寸，如弧长S、半径R及改变步进或伺服电机的往复速度n，透明水柱的长短随之改变（见

7、图4）。  五、设计使用要点  为达到层流喷泉最佳的动感和彩虹效果，需要在设计使用时注意以下方面：  1.尽量减少供水管道内的紊流强度，严格控制供水管道内的压力和流量。最好采用变频控制。  2.尽量避免弯头、三通等产生涡流的管件。选用水流平稳的水泵，以免破坏层流流态。条件允许时，采用高位水箱代替离心泵供水。  3.将泵阀等尽量布置在远离层流喷头的位置，减少涡流的影响程度。  4.为防止固体杂质堵塞层流喷头中的网孔和流道，应采用干净的水源。若无条件使用自来水，就必须设置供水过滤系统。  流体的缝隙流动，由于缝隙尺寸小，厚度薄，一般均可看做是层流。缝隙流动流态与园管

8、层流十分相似，进出流量变