倾泻流体研究及数值模拟.pdf

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1、第33卷第2期实验室研究与探索Vo1．33No．22014年2月RESEARCHANDEXPLORATIONINLAB0RAT0RYFeb．20l4倾泻流体研究及数值模拟于光远，宋楠，杨雄，潘永华，高惠滨(南京大学物理学院，江苏南京210093)摘要：分析小股水流在自然倾泻时产生的类似“波节”和“麻花”现象，通过大量重复实验还原现象，采用力学分析建模和计算机模拟相结合的方式得出现象的成因。采用流体的连续性方程，结合适当的边界条件，导出了水在光滑圆筒内的速率分布，并指出了“波长”与流量之间的函数关系。改进实验装置，制造出不对称的

2、速率分布从而导致水柱的旋转，并且分析了速率分布不均匀性与旋转方向的关系。最后通过模拟，提高了理论的可信度。关键词：倾泻流体；水“波节”；水“麻花”；流速分布公式；计算机模拟中图分类号：O35文献标志码：A文章编号：1006—7167(2014)02—0049—05TheAnalysisofSpillingWaterandItsDigitalSimulationYUGuang-yuan．SONGNan，YANGXiong，PANYong—hua，GAOHui—bin(DepartmentofPhysics，NanjingUniv

3、ersity，Nanjing210093，China)Abstract：Weanalyzedthephenomenonwhichissimilarto“node’’and“serratula”generatedbynaturalpouringwater．restoredthephenomenonthroughalargenumberofrepeatedexperimentandfigureoutthecausesofthephenomenonwiththecombinationofmechanicalanalyticmodel

4、ingandcomputersimulation．Thispaper，byusingthefluidcontinuityequation，combinedwiththeappropriateboundaryconditions，obtainedtheexportsratedistributionofwaterinthesmoothcylinder，andpointedoutthatthefunctionalrelationshipbetweenthenodeandquantityofflow．Wemanufacturedasy

5、mmetricratedistributiontoproducerotationofthewatercolumn．Finally，throughsimulation，weimprovedthecredibilityofthetheory．keywords：spillingwater；“node”ofwater；“serratula”ofwater；velocitydistributionformula；computersimulation0引言1实验现象在倒水时，我们发现自然倾泻的水流可能会发生实验所用出水管管口分别有圆口和方

6、口两种，如分节的情况⋯，出现所谓水“波节”现象。通过实验重图1、2所示。实验中使用水泵供水，流量计调节流量。复这一现象，并记录大量数据来找出影响这一现象的图1为水“波节”现象，使用圆口装置，可以明显看出因素。实验过程中又发现了水流旋转的“水麻花”现下泻水流分成了类似“波节”的形状，即图中日，段。象，新现象促使我们设计新仪器和建立新模型，并图2为水“麻花”现象，使用非对称方口装置，可以明重复更多的实验，结合相关知识分析讨论，并用计算机显看出下泻水流发生旋转。模拟，找出现象的本质。记录数据是由高清摄像头记录实验影像，再从视频影像中

7、抽样读数得到实验数据。收稿日期：2013—04—112水“波节”模型建立作者简介：于光远(1990一)，男，山东济南人，本科生。Te1．：15951970985：E—mail：xun3000@gmail．con2．1流速模型通信作者：潘永华(1971一)，女，浙江义乌人，高级工程师，主要从2．1．1流速模型1事大学物理实验和演示实验教学研究。首先考虑的是出水速率均匀分布情况。实验采用Te1．：025．89680302：E．mail：Pan．yong．hua@sina．coln半径r=3．50cm的圆口装置，如图3所示。当水流量

8、52实验室研究与探索第33卷水“麻花”速率分布分析推导。当我们将方形口绘制出出水口水流俯视模拟图，如图9所示，可以看出的高度缩小到较小时，可以视为其高度方向上速率均与实际情况符合得比较好。匀分布，进而可以将很薄的方形口流出的水流视为对一层水流进行近似的模拟(见图7)。图7水流