漩涡实验仪讲义

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1、漩涡实验仪说明书天津市睿智天成科技发展有限公司6一、实验目的1.观察流体运动的迹线和流线；2.观察流体绕固体边界运动时的流动现象；3.观察各种简单势流：源、汇、平行流的流谱。二、实验装置与流程2.1实验装置整套实验装置由低位槽、水泵、演示装置等组成。其中演示装置有六种类型，分别为ZL-1型、ZL-2型、ZL-3型、ZL-4型、ZL-5型、ZL-6型。2.1.1ZL-1型显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、180°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主流脱离边壁

2、（边界层分离）而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，旋涡尺度越小，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，逐渐扩散段的局部水头损失大于逐渐收缩段。在突然扩大段出现了较大的旋涡区，而突然收缩段只在死角处和收缩断面后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之后（旋涡区在后）。由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在管嘴进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有

3、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。尤其在弯道水流中，流线弯曲更加剧烈，越靠近弯道内侧，流速越小；且近内壁处，出现明显的回流，将直角弯道所形成的回流范围与ZL-2型圆角转弯对比，显然直角弯道旋涡区大，回流更加明显。6旋涡的大小和紊动强度与流速有关。这可以通过调节流量来观察对比：如流量减小，渐扩段流速较小，其紊动强度也较小，这时可看到在整个渐扩段有明显的单个大尺度旋涡。反之，当流量增大时，这单个大尺度旋涡随之破碎，并形成无数个小尺度的旋涡，且流速越高，紊动强

4、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。在突扩段，也可看到类似的旋涡尺度变化。据此清楚表明：紊动强度越大，旋涡尺度越小，几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。由于流体质点间的内磨擦越厉害，水头损失也就越大。2.1.2ZL-2型显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴以及壁面冲击、180°圆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，无主流与边壁的分离和旋涡产生。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

5、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比文丘里流量计大。圆弧进口管嘴入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生（对比1型的直角进口管嘴）；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，旋涡发生区域较小。文丘里及孔板流量计的结构简单、使用方便、测量精度高。由显示可见其结构的区别及其用途：文丘里流量计的优点是能量损失较小，对液流干扰较少，广泛应用于实验室与实际工程中的流量量测。孔板流量计结构更为简单，但水头损失很大，这一点作为流量计是缺点，但将其作为工程

6、上的孔板消能又是优点。2.1.3ZL-3型显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角锐缘弯头、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，都因主流与固壁分离而产生旋涡，转弯角度不同，旋涡大小、形状各异，圆弧转弯段相对锐缘弯头段，流线较顺畅。由于设备中直角圆弧弯头、直角锐缘弯头相距很近，这就显示了局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷嘴后，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。2.1.4ZL-4型显示30°弯头、分流、合流、45

7、°弯头、YF－溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF－溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。6由显示可见，在转弯、分流、合流等流段上，有不同形态的旋涡出现。合流旋涡明显干扰主流，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450三通连接。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，所以工程上蝶阀通常作检修用，只允许全开或全关。YF－溢流阀结构和流态均较复杂，下面详述。YF－溢流阀广泛用于液压传

8、动系统。其流动介质通常是油，阀门前后压差可高达315bar，阀道处的流速可高达二百多米每秒。因装置中流动介质是水，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主流与边壁分离，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