彩人间

一、實驗目的
⒈觀察各種幾何邊界條件下產生的旋渦現象，搞清旋渦產生的原因與條件。
⒉通過對各種邊界下旋渦強弱的觀察，分析比較局部損失的大小。
⒊觀察繞流現象、分離點及卡門渦街現象。
4. 清晰、鮮明的顯示出流體在特定邊界流場中流動的多種流動圖譜，為了解、設計、改進流道和設計流體元器件提供直接根據。
二、實驗原理
流經固體邊界的水流，當達到一定雷諾數時，由于固體邊界的形狀大小突然發生變化，在慣性的作用下，就會出現主流與邊界分離而產生旋渦的現象，如突然縮小、突然擴大、孔板等。水流在這些突變的邊界處形成局部水流阻力，能量損失較大。在旋渦范圍內，水流常表現為高度紊亂并伴隨有劇烈摩擦、分裂和撞擊作用，部分水流運動的連續性遭受破壞，出現明顯的主流與固體邊界脫離，從而導致大尺度旋渦的產生。
水流繞物體（如閘墩、圓柱等）的流動稱為繞流。在繞流中有兩種阻力作用于物體上：一是摩擦阻力，它是由水流的粘滯性而產生；二是形狀阻力，它由物體前后壓差形成，如圓柱繞流及圓頭方尾閘墩繞流。由于繞流時邊界發生分離，在圓柱后面產生旋渦，并產生分離點，邊界層分離點的位置隨物體形狀，表面粗糙度及流速大小而變。旋渦的產生，使繞流物體后部壓力小于前部壓力形成前后壓差，增加了水流對物體的作用力。繞流阻力的大小用下式表示：
                          
式中：為繞流阻力系數，是被繞流物體的形狀和水流狀況的函數，由實驗測定； 為被繞物體垂直水流方向的投影面積； 為水流未受繞流影響以前的速度； 為水的容重。
三、實驗裝置與內容
該演示儀是以空氣氣泡為示蹤介質，以狹縫過流道為特定邊界流場，用以顯示內流、外流等多種流動圖譜。水在半封閉狀態下受水泵的驅動自蓄水箱經摻氣后流經顯示板，形成無數小氣泡，小氣泡相對水流流動的跟隨性達到一致。儀器內日光燈照射到顯示板上，使小氣泡發出明亮的折射光，在后蓋底板襯托下，清楚的顯示出小氣泡隨水流流動的跡象。
Ⅰ型：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像。在逐漸擴散可看到由邊界層分離而形成的強烈旋渦，且越是靠近上游喉頸處，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)，而且突縮段的水頭損失主要發生在突縮斷面后部。
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，將此與圓角轉彎流動對比，直角彎道旋渦大，回流更加明顯。
Ⅱ型：顯示文丘里流量計、孔板流量計、圓弧進口管嘴流量計以及壁面沖擊、圓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。孔板流量計的過流阻力較大，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成較大的旋渦區。由此可知，孔板流量計的過流阻力較大；圓弧進口管嘴流量計入流順暢，管嘴過流段上無邊界層分離和旋渦產生；在圓形彎道段，流線較順暢，與直角彎道比較，旋渦發生少。在彎道的內側，邊界層分離及分離點清晰可見。邊界層分離后，產生回流形成旋渦。
Ⅲ型 ：顯示30°彎頭、直角圓弧彎頭、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。在圓弧轉彎段，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，流動形態錯綜復雜。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。在此流段上還可看到射流的“附壁效應”現象。
Ⅳ型：顯示30°彎頭、分流、合流、45°彎頭、YF溢流閥、流段縱剖面上的流動圖譜。
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。
YF－溢流閥廣泛的用于液壓傳動系統。其流動介質通常是油。閥門前后壓差可達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（Re相同），在閥門前加一減壓分流。該裝置能十分清晰的顯示閥門前后的流動形態；高速流體經閥口噴出后，在閥芯的大反圓弧段發生邊界層分離，出現一圓旋渦帶，在射流和閥座的出口處，便產生以較大的旋渦環帶，在射流和閥座的出口處也產生一較大的旋渦帶，在閥門的后部，尾跡區大而復雜，產生不規則的隨機的卡門渦街，經閥芯芯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。
Ⅴ型：顯示明渠逐漸擴散，單圓柱繞流、多圓柱繞流及直角彎道等流段的流動圖像。圓柱繞流是該型演示儀的特征流譜。
該儀器顯示可見：單圓柱繞流時的邊界層分離狀況，分離點位置，卡門渦街的產生與發展過程以及多圓柱繞流時的流體混合、擴散、組合旋渦等流譜圖像。
Ⅵ型：顯示明渠漸擴、橋墩形鈍體繞流、機翼型繞流、直角彎道和正、反流線體繞流等流段上的流動圖譜。
橋墩形繞流體為圓頭方尾的純體。水流脫離橋墩后，形成一個旋渦區尾流。在紊流區不斷交替在二側產生旋轉方向相反的旋渦，即卡門渦街。（可與圓柱體繞流比較）。
機翼型繞流是繞流體的最好形式，其流體暢通，形體阻力最小，故流線體一般是是圓頭尖尾形。
Ⅶ型：顯示流體進入圓弧集流器與圓錐集流器時的流動情況，集流器多按裝于風洞進口，使流體收斂、均勻進入風洞，并可利用其形狀的變化引起的前后壓差的變化，作進口流量的測量。集流器的外型幾何尺寸已經列入了國家標準，設計及制造時均有參照。
四、演示方法與步驟
1.將注水管插進每個設備旁側的加水孔注水，觀察前部的水位，到刻度處，不要太多或太少，否則將影響正常演示時的氣泡效果。
2.加水后，將電源接通，水泵上水，光源點亮。等整個設備運行穩定后，就可以清晰的觀察流體流經各類邊界時所形成的流線所形成的流譜了。
五、思考題
1.談談文丘里流量計，孔板流量計及圓弧進口管嘴流量計各自特點及其用途。
2.為什么急變流段測壓管水頭不按靜水壓強規律分布？
3.短管局部水頭損失是否等于各單個局部水頭損失之和？為什么？
4.處于流場中的繞流體為何會產生振動？為什么振動方向和來流方向垂直？
5.為什么圓柱繞流頻率可由公式計算而非圓柱繞流頻率一般不能計算？