流动显示的教案

流动显示的教案第1页/共33页32-2内容提要从几个有关流动的问题说起什么叫流动显示常用的流动显示方法流动显示的应用第2页/共33页32-3§1从几个有关流动的问题说起飞机的机翼为什么具有向上的升力？钝体的阻力为什么比流线体的阻力大？大风中的电线为什么通常在横风向而不在顺风向发生振动？为什么关于管道阻力的两个不同实验结果都正确？泊肃叶（1840）与哈根（1839）测得阻力与速度成正比；达西（1857）测得阻力与速度的平方成正比。为什么管道截面积变化或改变方向会增大流动阻力？第3页/共33页32-4§2什么叫流动显示使水或空气的流动变为肉眼可见，又称流场显示或流动可视化。能直观地观察各种流动现象，是研究流体运动规律的重要手段。色线：源于一点的很多流体质点在同一瞬时的连线，又称标记线或脉线。色线可通过流动显示方法获得。定常流动时迹线、流线和色线互相重合，不定常流动时一般不会重合。第4页/共33页32-5§2什么叫流动显示一个流动显示的例子绕机翼的流动

机翼上表面的流线较密，表明流速大，压力低；下表面流线较稀疏，流速小，压力高。机翼上下表面的压力差，使机翼受到向上的合力——升力的作用。第5页/共33页32-6§3常用的流动显示方法染色法电化学法氢泡法空气泡法烟流法光学法油膜法第6页/共33页32-7§3-1染色法在水流中引入有色液体或染料来显示流动。最有名的流动显示实验—雷诺实验（1883年）第7页/共33页32-8§3-1染色法显示模型表面附近的流动图案第8页/共33页32-9§3-2电化学法原理含化学指示剂的显示液，酸度不同时显示不同颜色。配置显示液到临界状态，刚好呈现酸性；当显示液中插入电极通电时，水电解使流过负极附近的显示液呈现碱性而变色，形成彩色条纹。仅适用于极低速度下流动显示。常用试剂：百里酚兰、酚酞、甲基红等。流谱流线显示仪结构原理图第9页/共33页32-10§3-2电化学法

管道机翼圆柱第10页/共33页32-11§3-3氢气泡法利用水电解产生氢气和氧气的原理，通过氢气泡的运动来显示水流流动。阴极铂金丝垂直于流动方向，置于上游；阳极铜板置于下游。铂丝越细，氢泡上浮越小，跟随性越好。第11页/共33页32-12§3-3氢气泡法不同阴极形状和电压，可产生不同的氢气泡条带。第12页/共33页32-13§3-3氢气泡法氢泡条带随当地的流速发生变形，从而反映了当地的速度方向和速度大小的变化。用所测得的相邻氢泡条带的位移除以氢泡脉冲发生的时间间隔，就可得到速度值的大小，从而能获得流动的定量数据。用氢泡法显示的收缩段流动的照片第13页/共33页32-14§3-3氢气泡法第14页/共33页32-15§3-4空气泡法水流中引入适量空气小气泡为示踪介质，通过被照亮的小气泡的运动来显示水流流动。通常只能用于定性演示。自循环流动演示仪结构原理图第15页/共33页32-16§3-4空气泡法圆柱桥墩扩张管收缩管弯管孔板突扩管文丘利管第16页/共33页32-17§3-5烟流法通过引入烟流来观察空气的流动。图3—1第17页/共33页32-18§3-6小结以上方法看到的是染色液体、气泡和烟等外加材料的运动。外加材料要有良好跟随性，才能真正显示流体运动。以上方法仅适用于低速水流或气流的流动显示。第18页/共33页32-19§4流动显示的应用在教学上，可以辅助观察流动现象，认识流动规律，理解基本概念；在科研上，发现新的流动现象，建立、改进和验证理论模型；在工程上，解决实际问题。第19页/共33页32-20§4流动显示的应用——例1层流和湍流层流：流体在各平行层中运动，流层间没质点掺混。湍流：流体质点除向前的运动，还有横向的、不规则的流动，以及混乱的旋涡运动。湍流的流动阻力比层流大得多1883年雷诺发现圆管流动阻力在下临界雷诺数前后发生很大变化，泊肃叶-哈根和达西的实验结果不同，但都是正确的，缘于对应于层流和湍流两种截然不同的流态。直线AB段为层流，流动阻力与速度成正比；BC为过渡段；直线CD段为湍流段，流动阻力与速度的1.75~2次方成正比。第20页/共33页32-21§4流动显示的应用——例2附面层实际流体绕流物体时，由于粘性作用，在物体壁面附近存在一流体薄层，从壁面上速度为零逐渐增大到外流速度，该流体薄层称为附面层，又称边界层。零攻角平板附面层的形成和发展（氢泡法）

流动方向从左向右，下图为局部放大图第21页/共33页32-22§4流动显示的应用——例3附面层分离附面层与绕流物体壁面脱离，称为附面层分离或流动分离，又称脱体或离体。流动分离往往发生在物体的尖角处或物体壁面逆压梯度（压力沿流动方向递增）足够大的区域。桥墩突扩管圆柱扩张管第22页/共33页32-23§4流动显示的应用——例4流线体与钝体流线体：流体绕流某一物体时，如基本上不发生附面层分离（如下图左1、2），则称该物体为流线体。流线体一般具有圆头和长的尖尾。钝体：如发生附面层分离（如下图左3～7），则称非流线体，又称钝体（通常没有长的尖尾）。钝体背风面分离区压力低于迎风面压力，由此产生比摩擦力大得多的压差阻力，造成总阻力增大。迎风面积相同情况下，钝体的阻力比流线体大得多。

氢泡法显示的垂直平板绕流

氢泡法显示的机翼绕流

氢泡法显示的圆柱绕流第23页/共33页32-24§4流动显示的应用——例4低速等阻模型（流动方向从坐向右）下排流线体的表面积和迎风面积，比上、中排所列举的钝体的表面积和迎风面积大得多，但它们的总阻力却相等。原因在于流线体基本上不发生流动分离，只存在摩擦阻力，没有压差阻力；钝体的摩擦阻力虽小，但由于流动分离，出现了比摩擦阻力大得多的压差阻力，使总阻力与流线体相当。第24页/共33页32-25§4流动显示的应用——例5卡门涡街与旋涡脱落诱发的振动流过圆柱表面的附面层周期性、交替地从两侧分离脱落，在尾流中生成交叉排列的两列涡列，称为卡门涡街。旋涡的交替脱落造成圆柱两侧瞬时压力分布不对称，使圆柱受到一个与旋涡脱落频率相同的交变横向力作用，若该频率与圆柱体固有频率接近将诱发共振。其它钝体也会发生类似的旋涡脱落而诱发共振。圆柱尾流中的卡门涡街第25页/共33页32-26§4流动显示的应用——例6管道流动中的局部阻力损失管道截面积或流向变化，引起管道流动中流体的机械能损失，称为局部阻力损失。流动显示可直观地显示产生局部阻力损失的机理，有时还能比较局部阻力损失的大小。收缩管扩张管突扩管文丘利管孔板弯管第26页/共33页32-27§4流动显示的应用——例7实际（粘性）流体与理想流体实际流体具有阻抗剪切变形的性质，即具有粘性。粘性影响可以忽略的流体称为理想流体。理想流体的流态可通过流谱流线显示仪来模拟。对同样形状的被绕流物体和同样的管截面变化，理想流体和实际流体的流态可能截然不同。理想流体圆柱绕流理论结果理想流体实际流体理想流体实际流体第27页/共33页32-28§4流动显示的应用——例8机翼的启动涡第28页/共33页32-29§4流动显示的应用——例9子弹头部的激波第29页/共33页32-30§4流动显示的应用——例10汽车工程中应用流动显示技术研究绕流汽车的流场，力求提高速度、减阻节能。第30页/共33页32-31§4流动显示的应用——例11环保工程中用染色法或烟线法研究烟囱的烟气扩散规律，合理选择烟囱的位置和高度。第31页/共33页32-32通知实验地点：实验大厅106时间安排：组号流动显示雷诺实验13月15日13:30~14:003月22日13:30~13:5523月22日13:55~14:2033月15日14:00~14:303月22日14:20~14:4543