流体力学实验-第七章

1第七章水动力学实验设备§7.1水动力学实验设备的分类水动力学的实验内容非常广泛，其设备种类繁多。1.水槽:水槽是常用的流体力学实验设备，主要用于有自由表面的水体流动规律。按结构型式分为固定、变坡、陡坡等。按用途分为清水常规水槽、浑水（泥沙）水槽、波浪水槽、风水槽等。2.水洞：水洞也是常用的流体力学实验设备，实验段没有水的自由表面。3.水池流体力学实验理论24.专用设备减压箱：研究空化空蚀机理的实验设备，空化是常温下液体内部由于压力降低而形成的流体形态破坏，产生空泡或空穴。水轮机试验台水泵试验台5.三维水力模型实验水动力学实验设备可应用于：水动力学和流体力学的基础性研究工程性的模型实验研究3§7.2水槽和水洞水槽的结构：研究性实验水槽一般由储水箱及管路系统、净水装置、水泵组和槽本体组成净水装置：为了避免水中杂质对水槽的污染设置的，水源在经过净水装置处理后才能进入回路。动力系统：由一组泵组成，开启不同数量的水泵就可得到不同流速的水流，水由泵组加压后流入集水箱，再通过导水管路到达水槽的安定段。安定段：其作用与风洞相仿，内部装有粗孔塑料泡沫层和尼龙纱网，它们的作用是对水流进行整流。水流通过收缩段加速，可采用较高的收缩比来降低水流的原始湍流度。实验段：一般为很长的矩形槽。常用玻璃（或有机玻璃）做水槽壁面，便于对流场进行观察拍照。最后水流通过下游的排水阀门流回泵站。41.净水器，2.阀门，3.泵组，4.集水箱，5.安定段，6.阻尼网，7.收缩段，8.工作段,9.出水阀，10.储水箱5水槽流速和水位的调节：要保证实验在严格定常的流动条件下进行以及满足实验所需的流量要求，水槽实验装置的供水不直接与自来水管道连接，而要通过一独立的水箱管路系统，典型的由有一定水头高度的水箱、连接管道、水渠道和水泵组成。水箱的溢流板使水箱中的水位在实验过程中保持恒定，水箱内还可以插有几块多孔阻尼板作为稳流装置，用来消除进水所引起的波动。水通过实验装置后流入回水渠道，集中到水池里，由水泵再次泵入水箱，循环使用。6进水出水溢流平水箱（稳水箱）7实验流量可通过泵组和流量控制闸阀来调节，也可利用变频器＋泵来控制。实验水深的调节可通过安装在水槽矩形槽出口端的尾门开度来控制。尾门的开度可由计算机自动控制，尾门开度按一定周期变化，相应水槽的水位和流速也按一定周期变化，可模拟潮流。还可有其它的调节装置。8循环水槽结构示意图9TunnelAssemblySettlingChamberExitSectionMotorAssembly小型水槽10大型水槽11船舶试验水槽（400m）12其它水槽（1）拖曳水槽：船模实验、分层流实验等13（2）波浪水槽在普通水槽上装上造波器和消波器，造波器用来模拟海浪，有多种形式。在水槽的另一端，消波器使水波以及模型产生的船波不再反射。造波装置14波浪水槽防波堤模型实验15清浑水两用波流水槽可用于：波－流相互作用含沙水流运动底泥起动悬移质沉降波流与不同底质的相互作用16（3）风浪水槽把水槽顶部封闭起来，并在两端留有进气口和排气口，这样在水面上就形成了一条空气通路。一般在下游端装上风机抽吸空气，把上游端做成收缩段的形状，并将它作为空气的入口，风机的抽吸使水面上的空气产生流动，就形成了风浪水槽。风浪水槽可用来研究风生浪、风浪干扰、水面油膜扩散等方面的研究。17水洞的结构和原理与回流式风洞相似，只不过其中的介质是水而已。水洞与风洞的不同之处是：（1）由于水的密度比空气大数百倍，推动水流动的动力系统的功率一般很大；（2）水洞实验段是封闭的管路系统，一般不能做成敞开式的；（3）水洞可以做成重力式的。即利用高水位下落至低水位时位势能转变为动能的原理，获得实验段一定速度的水流。水洞可进行常规水动力学实验、空泡实验、边界层机理和水噪声实验等。水洞简介：18小型水洞19重力式水洞的结构示意图如下所示：1.沟，2.磅秤，3.量水箱，4.切换机构，5.溢流箱，6.水池，7.水泵，8.回水管，9.出水阀，10.实验装置;11.进水阀，12.水箱，13.多孔阻尼板，14.溢流坝水泵将地下水池中的水泵入高位的水箱中，水箱内的溢流板使水箱中的水位保持恒定。水箱内还插有多孔阻尼板作为稳流装置，用来消除进水所引起的波动。水在管道内经过扩压段、整流网和收缩段后进入实验段，然后流入回流渠道，集中到水池中。20图为在空化实验水洞中用频闪光源拍摄到的高速旋转螺旋桨的空化现象照片，从照片中可看到在螺旋桨叶梢上产生的空泡形成的螺旋线。为了观察非定常流动和高速运动流场的流动图像和变化过程，通常需要采用高速摄影技术。21高速摄影在流动显示中的应用：人眼的空间分辨率约为0.1mm，时间分辨率约为0.1s。高速摄影是用“快摄慢现”的手段来扩展人眼视力的极限。高速摄影机和普通摄影机的区别是曝光时间和摄影频率，摄影频率在102帧/秒的称为普通摄影（一般电影摄影的标准频率为每秒24幅），而高速摄影机的摄影频率可达每秒几千帧以上。高速摄影是高速定常和非定常流动过程流动显示的重要手段，可与各种流动显示方法结合使用。22定常流动：拍摄典型瞬时情况下的单张高速照片，高速快门控制曝光时间。非定常流动：连续记录高速流场的运动过程，高速摄影的拍摄频率（帧/秒）必须与流动变化速率同步，变化越快的流动过程要求的拍摄频率越高。23§7.3三维水力模型实验简介实际河道、河口地区的水流运动非常复杂，在水利工程、河流工程、港口和航道工程等重大工程项目中，三维水力模型试验是项目论证、规划、工程设计、实施、动态管理和施工等方面的重要手段。物理模型：水工模型河工模型港工模型24水利枢纽工程25长江口深水航道整治工程——导堤26长江口整体物理模型试验大厅外观效果图（上海浦东）水平缩尺为1:1000，垂直缩尺为1:12527长江口物理模型（南京水科院）28钱塘江河口（含杭州湾）整体模型（杭州）29模型分类：（1）正态模型和变态模型正态模型的长、宽、高按同一比尺缩小，其几何形状与原型完全相似。变态模型的水平方向上的比尺kl和水深方向上的比尺kh不同，其几何形状与原型并不严格相似，几何变形的程度可用变态率来表示。hlkk30（2）定床模型和动床模型按照模型河床能否变形可把模型分成定床和动床两类。定床模型：模型河床不随水流作用而改变，其河床常用水泥沙浆制作，模型水流是清水。动床模型：模型河床随水流作用而改变，其河床常用天然沙或轻质沙（如煤粉、木屑、塑料沙、胶木粉等）制作，模型水流也常挟沙。当河床变形显著或要了解河道冲淤情况时，需采用动床模型，动床模型一般都是动态模型。31模型设计：满足相似率（相似准则）动床模型设计：动床模型中引进了泥沙，在选择模型比尺时，要同时满足水流和泥沙运动的各种相似要求，往往非常困难。水流运动相似是泥沙运动相似的基础。泥沙按运动形式分为推移质和悬移质，在进行动床模型试验时一般分开考虑。32推移质：起动相似输沙率相似泥沙连续相似悬移质：沉降相似挟沙相似扬动相似泥沙连续相似