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各种边界条件流动演示

一、实验装置

仪器组成如图2-1所示。

图2-1流动演示仪结构示意图

1.挂孔；2.彩色有机玻璃面罩；3.不同边界的流动显示面；4.加水孔孔盖；

5.掺气量调节阀；6.蓄水箱；7.可控硅无级调速旋钮；8.电器、水泵室；9.标牌；

10.铝合金框架后盖

二、实验方法与步骤

1.起动打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下使显示面两侧下水道充满水。

2.掺气度调节旋动调节阀5，可改变掺气度(ZL—7型除外)。注意有滞后

性，调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果。掺气量不宜太大，否则会

阻断水流或产生振动。

三、实验指导

各实验仪演示内容及实验指导提要如下：

1.ZL1型(图2-2a)用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、

壁面冲击、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

散可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度

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，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。

图2-2显示面过流道示意图

在突然扩大段出现较大的旋涡区，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后部。

由于本仪器突缩较短，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，致使有效过流断面减小，流速增大。

从而在收缩面出现真空。

在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯

曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。且近内壁处，出现明显的回流，所形成的

回流范围较大，将此与ZL2圆角转弯流动对比，直角弯道旋涡大，回流更加明显。

2.ZL-2型(图2-2b)显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量

计以及壁面冲击、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，无边界层分离和旋涡产

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

流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层

分离和旋涡产生；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，旋涡发生点少。

3.ZL—3型(2-2c)显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头，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，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不

同，旋涡大小、形状各异。在圆弧转弯段，流线较顺畅，该串联管道上，还显示

了局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，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。

4.ZL—4型(图2-2d)显示30°弯头、分流、合流、45°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。

由显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合

流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻。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。蝶阀通常作检修用，故只允许全开或全关。

5.ZL—5型(图2-2e)显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角

弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。

6.ZL—6型(图22f)显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角

弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。

7.ZL—7型(图2-2g)这是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。该装

置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号(气流)，便

能输出一个大信号(射流)，并能把脉冲小信号保持记忆下来。