流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)_第七章

1、1第七章 水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 7.1 水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的分類 水動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常廣泛，其設(shè)備種類繁多。 1.水槽:水槽是常用的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要用于有自由表面的水體流動規(guī)律。 按結(jié)構(gòu)型式分為固定、變坡、陡坡等。按用途分為清水常規(guī)水槽、渾水（泥沙）水槽、波浪水槽、風(fēng)水槽等。 2.水洞：水洞也是常用的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)段沒有水的自由表面。 3.水池流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論24. 專用設(shè)備 減壓箱：研究空化空蝕機(jī)理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，空化是常溫下液體內(nèi)部由于壓力降低而形成的流體形態(tài)破壞，產(chǎn)生空泡或空穴。 水輪機(jī)試驗(yàn)臺 水泵試驗(yàn)臺5. 三維水力模型實(shí)驗(yàn)水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可應(yīng)用于： 水動力學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)性研

2、究 工程性的模型實(shí)驗(yàn)研究37.2 水槽和水洞水槽的結(jié)構(gòu)：研究性實(shí)驗(yàn)水槽一般由儲水箱及管路系統(tǒng)、凈水裝置、水泵組和槽本體組成 凈水裝置：為了避免水中雜質(zhì)對水槽的污染設(shè)置的，水源在經(jīng)過凈水裝置處理后才能進(jìn)入回路。 動力系統(tǒng)：由一組泵組成，開啟不同數(shù)量的水泵就可得到不同流速的水流，水由泵組加壓后流入集水箱，再通過導(dǎo)水管路到達(dá)水槽的安定段。 安定段：其作用與風(fēng)洞相仿，內(nèi)部裝有粗孔塑料泡沫層和尼龍紗網(wǎng)，它們的作用是對水流進(jìn)行整流。水流通過收縮段加速，可采用較高的收縮比來降低水流的原始湍流度。 實(shí)驗(yàn)段：一般為很長的矩形槽。常用玻璃（或有機(jī)玻璃）做水槽壁面，便于對流場進(jìn)行觀察拍照。 最后水流通過下游的排水閥

3、門流回泵站。41.凈水器，2.閥門， 3.泵組， 4.集水箱， 5.安定段，6.阻尼網(wǎng)，7.收縮段，8.工作段,9.出水閥， 10.儲水箱5水槽流速和水位的調(diào)節(jié)： 要保證實(shí)驗(yàn)在嚴(yán)格定常的流動條件下進(jìn)行以及滿足實(shí)驗(yàn)所需的流量要求，水槽實(shí)驗(yàn)裝置的供水不直接與自來水管道連接，而要通過一獨(dú)立的水箱管路系統(tǒng)，典型的由有一定水頭高度的水箱、連接管道、水渠道和水泵組成。 水箱的溢流板使水箱中的水位在實(shí)驗(yàn)過程中保持恒定，水箱內(nèi)還可以插有幾塊多孔阻尼板作為穩(wěn)流裝置，用來消除進(jìn)水所引起的波動。 水通過實(shí)驗(yàn)裝置后流入回水渠道，集中到水池里，由水泵再次泵入水箱，循環(huán)使用。6進(jìn)水出水溢流平水箱（穩(wěn)水箱）7 實(shí)驗(yàn)流量可通

4、過泵組和流量控制閘閥來調(diào)節(jié)，也可利用變頻器泵來控制。 實(shí)驗(yàn)水深的調(diào)節(jié)可通過安裝在水槽矩形槽出口端的尾門開度來控制。 尾門的開度可由計(jì)算機(jī)自動控制，尾門開度按一定周期變化，相應(yīng)水槽的水位和流速也按一定周期變化，可模擬潮流。 還可有其它的調(diào)節(jié)裝置。8循環(huán)水槽結(jié)構(gòu)示意圖9Tunnel Assembly Settling Chamber Exit Section Motor Assembly 小型水槽10大型水槽11船舶試驗(yàn)水槽（400m）12其它水槽（1）拖曳水槽：船模實(shí)驗(yàn)、分層流實(shí)驗(yàn)等 13（2）波浪水槽 在普通水槽上裝上造波器和消波器，造波器用來模擬海浪，有多種形式。在水槽的另一端，消波器使水波

5、以及模型產(chǎn)生的船波不再反射。造波裝置14波浪水槽防波堤模型實(shí)驗(yàn)15清渾水兩用波流水槽可用于：波流相互作用含沙水流運(yùn)動底泥起動懸移質(zhì)沉降波流與不同底質(zhì)的相互作用16（3）風(fēng)浪水槽 把水槽頂部封閉起來，并在兩端留有進(jìn)氣口和排氣口，這樣在水面上就形成了一條空氣通路。 一般在下游端裝上風(fēng)機(jī)抽吸空氣，把上游端做成收縮段的形狀，并將它作為空氣的入口，風(fēng)機(jī)的抽吸使水面上的空氣產(chǎn)生流動，就形成了風(fēng)浪水槽。 風(fēng)浪水槽可用來研究風(fēng)生浪、風(fēng)浪干擾、水面油膜擴(kuò)散等方面的研究。17 水洞的結(jié)構(gòu)和原理與回流式風(fēng)洞相似，只不過其中的介質(zhì)是水而已。 水洞與風(fēng)洞的不同之處是：（1）由于水的密度比空氣大數(shù)百倍，推動水流動的動力系

6、統(tǒng)的功率一般很大；（2）水洞實(shí)驗(yàn)段是封閉的管路系統(tǒng)，一般不能做成敞開式的；（3）水洞可以做成重力式的。即利用高水位下落至低水位時(shí)位勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿脑?，獲得實(shí)驗(yàn)段一定速度的水流。 水洞可進(jìn)行常規(guī)水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、空泡實(shí)驗(yàn)、邊界層機(jī)理和水噪聲實(shí)驗(yàn)等。水洞簡介：18小型水洞19重力式水洞的結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：1.溝，2.磅秤，3.量水箱，4.切換機(jī)構(gòu)，5.溢流箱，6.水池，7.水泵，8.回水管，9.出水閥，10.實(shí)驗(yàn)裝置; 11.進(jìn)水閥，12.水箱，13.多孔阻尼板，14.溢流壩水泵將地下水池中的水泵入高位的水箱中，水箱內(nèi)的溢流板使水箱中的水位保持恒定。水箱內(nèi)還插有多孔阻尼板作為穩(wěn)流裝置，用來消除進(jìn)水

7、所引起的波動。水在管道內(nèi)經(jīng)過擴(kuò)壓段、整流網(wǎng)和收縮段后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，然后流入回流渠道，集中到水池中。20圖為在空化實(shí)驗(yàn)水洞中用頻閃光源拍攝到的高速旋轉(zhuǎn)螺旋槳的空化現(xiàn)象照片，從照片中可看到在螺旋槳葉梢上產(chǎn)生的空泡形成的螺旋線。為了觀察非定常流動和高速運(yùn)動流場的流動圖像和變化過程，通常需要采用高速攝影技術(shù)。21高速攝影在流動顯示中的應(yīng)用： 人眼的空間分辨率約為0.1mm，時(shí)間分辨率約為0.1s。高速攝影是用“快攝慢現(xiàn)”的手段來擴(kuò)展人眼視力的極限。 高速攝影機(jī)和普通攝影機(jī)的區(qū)別是曝光時(shí)間和攝影頻率，攝影頻率在102幀/秒的稱為普通攝影（一般電影攝影的標(biāo)準(zhǔn)頻率為每秒24幅），而高速攝影機(jī)的攝影頻率可達(dá)每秒

8、幾千幀以上。 高速攝影是高速定常和非定常流動過程流動顯示的重要手段，可與各種流動顯示方法結(jié)合使用。22 定常流動：拍攝典型瞬時(shí)情況下的單張高速照片，高速快門控制曝光時(shí)間。 非定常流動：連續(xù)記錄高速流場的運(yùn)動過程，高速攝影的拍攝頻率（幀/秒）必須與流動變化速率同步，變化越快的流動過程要求的拍攝頻率越高。 237.3 三維水力模型實(shí)驗(yàn)簡介 實(shí)際河道、河口地區(qū)的水流運(yùn)動非常復(fù)雜，在水利工程、河流工程、港口和航道工程等重大工程項(xiàng)目中，三維水力模型試驗(yàn)是項(xiàng)目論證、規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、實(shí)施、動態(tài)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水利樞紐工程25長江口深水航道整治工程導(dǎo)堤2

9、6長江口整體物理模型試驗(yàn)大廳外觀效果圖 （上海浦東）水平縮尺為1:1000，垂直縮尺為1:12527長江口物理模型（南京水科院）28錢塘江河口（含杭州灣）整體模型（杭州）29模型分類：（1）正態(tài)模型和變態(tài)模型 正態(tài)模型的長、寬、高按同一比尺縮小，其幾何形狀與原型完全相似。 變態(tài)模型的水平方向上的比尺kl和水深方向上的比尺kh不同，其幾何形狀與原型并不嚴(yán)格相似，幾何變形的程度可用變態(tài)率來表示。hlkk30（2）定床模型和動床模型 按照模型河床能否變形可把模型分成定床和動床兩類。 定床模型：模型河床不隨水流作用而改變，其河床常用水泥沙漿制作，模型水流是清水。 動床模型：模型河床隨水流作用而改變，其河床常用天然沙或輕質(zhì)沙（如煤粉、木屑、塑料沙、膠木粉等）制作，模型水流也常挾沙。當(dāng)河床變形顯著或要了解河道沖淤情況時(shí)，需采用動床模型，動床模型一般都是動態(tài)模型。31模型設(shè)計(jì)： 滿足相似率（相似準(zhǔn)則）動床模型