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本科生流体力学综合设计实验 No: 2007-07 涡环穿行演示实验 学 生： 莫丽霞 专 业： 2004 级 大气科学 指导教师： 赵亮 副教授 中国海洋大学 海洋学国家基础科学人才培养基地 2007 涡环穿行演示实验 2004级 大气科学 莫丽霞 【实验目的】 1.了解涡丝、涡环的概念 2.通过观察烟圈的运动，加深对涡环运动特性的认识。 【实验仪器】 自制烟箱：边长 25cm 的硬纸盒，后壁做成有弹性的，前壁开一 直径6cm 圆形孔道，前设挡板，在深色背景前操作使实验更明显。 自制烟雾：将硝酸钾与糖以 3:2 混合（约硝酸钾18g 与糖12g） 加热至呈现糊状、桔黄色，以长条形放置冷却，待干硬后点燃即产生 烟雾。 【实验原理】 根据理论推导，曲率涡丝上任一点的邻域内流体速度有一部分是 由其附近的涡丝诱导引起的，与涡丝曲率半径有关。 由于自身诱导作用，变曲率曲线涡丝将在流体中运动，并在运动 过程中不断改变自己的形状 。理论揭示涡丝的曲率半径无限小时， 其运动速度为无限大。实际问题中，涡丝总是有限粗的，所以自感引 起的涡丝运动速度也是有限的。 偶核半径为ε 的有限粗涡环的前进速度可由下式表示： Γ a V ln 4 a π ε 可见随着涡环半径 a 的增长，涡环前进速度减小。 两个具有相同对称轴线的涡环，一前一后，后涡环产生的速度场 1 在前涡环上产生向外的径向速度分量，使前涡环的半径不断增大，前 进速度逐渐减小。与之同时，前涡环产生的速度场在后涡环上产生向 里的径向速度分量，使后涡环的半径不断减小，从而使它的前进速度 不断加快，最终穿过前涡环，于是前后涡环易位。上述过程可以一直 重复进行，直到涡环能量耗散完为止。 图1 涡环及诱生速度场示意图 【实验内容】 将烟箱充满烟气，打开前壁圆孔前的挡板，连续轻轻敲打后壁， 产生烟圈，观察烟圈的运动。 2