流体力学实验_第五章VIP免费

1第五章流动显示技术及其发展§5.1流动显示的一般概念1.流动显示（Flowvisualization）技术:流场的可视化技术流动现象的观察：1883年Reynolds转捩实验1888年Mach关于激波现象的观察20世纪初Prantle用金属粉末做示踪粒子，获得了一张沿平板的流谱图，提出了边界层的概念1912年Karman对水槽中圆柱绕流的观察，Karman涡街的提出流体力学实验理论220世纪60年代对脱体涡流型的研究70年代湍流拟序结构的发现80年代对大迎角分离流和分离流型的提出各种复杂流动（分离流，旋涡流，湍流，非定常流）的流动机理和应用研究流动显示：可以对流动现象直接观察，获得流场直观、清晰的物理图像及流动发展、演化过程的定性和定量信息，还是发现新的流动现象，建立和改进反映主要流动特征的理论模型的重要手段。3大气中的龙卷风自然界中的流动现象：火山喷发42.流线、迹线和染色线流线：用来描绘某一特定时刻流场中各点速度方向的曲线迹线：流体质点在空间中运动的轨迹，即某一特定的流体质点在不同时刻速度方向所形成的曲线染色线：在流场中某个固定M点，对流经M点的流体微团染上颜色或附加上某些可视的标记，经过某个时间间隔后，在M点染上色的所有流体微团组成一条染色线，或称脉线。在定常流动中，流线、迹线和染色线相同。但在非定常流动中，是互不相同的。53.流动显示方法的分类（1）示踪粒子流动显示：在透明无色的气流或水流中加入一些可见的粒子，通过可见的外加粒子跟随流体微团的运动来使各种流动现象显示出来。固态示踪粒子：水流（铝粉、有机玻璃粉末或聚苯乙烯小球等）气流（烟颗粒）液态示踪粒子：水流（牛奶、染料溶液）气态示踪粒子：水流（氢气泡、空气泡）气流（彩色氦气泡）6（2）光学方法：利用流场的光学性质，如气体的光学折射率是其密度的函数，通过流场的折射率变化来显示某些流动现象，通常用于高速流场中。（3）新一代流动显示技术激光全息方法激光诱导荧光技术光学表面测压技术粒子图像速度场仪（PIV）定性定量定常非定常二维三维71.染色线流动显示在被观测的流场中设置若干个点，在这些点上不断释放某种颜色的液体，它随流过该点的流体微团一起往下游流去，流过该点的所有流体微团组成了可视的染色线。旋涡运动的流动结构染料选取：（墨水、牛奶、高锰酸钾和苯胺颜料的酒精溶液等）所选取的染料应使染色线扩散慢、稳定性好染色液应与水流具有尽可能相同的密度（与酒精混合）染料颜色与流场背景形成强的反差（荧光染料）注入方式：在绕流物体表面开孔直接注入流场中所需要观测的位置§5.2水流流动显示技术8横射流的染色线流动显示射流和横流相互作用下的三维涡环结构流速比＝2流速比＝392.氢气泡流动显示氢气泡流动显示技术出现在20世纪60年代初，适用于低速水流的流动观察，并可进行定量测量。基本原理：水电解后产生氢和氧分子。在实验中，在水流中放置一根与流动方向垂直的很细的铂丝（直径为10~20μm），以金属丝为阴极，在水流的下游放一金属片作为阳极，当在两极之间施加电压时，在阴极丝上就会产生大量氢气泡，跟随水流向下游流动。10基本装置：发泡金属丝：一般采用铂丝，其直径应由氢气泡的直径和流动速度来决定可控电路装置：直流电源或脉冲电源，电压、脉冲频率和宽度可调光源和照相：激光片光源或大功率片光源在脉冲电压的作用下，沿着阴极线将产生一条条氢泡条带，随流速发生变形，可反映速度剖面。根据脉冲间隔和测量到的氢泡带位移可进行速度测量。利用数字图像处理技术还可复杂的氢气泡显示图谱进行分析和定量计算。11氢气泡流动显示水槽中平板湍流边界层近壁区域大尺度相干结构的猝发现象（侧视图）氢气泡流动显示水槽中平板湍流边界层近壁区域的低速条纹结构（俯视图）氢气泡流动显示的应用：123.悬浮粒子流动显示用一些可视的固体微粒或油滴混在水流中，从固体微粒或油滴的运动状态来了解水流的流动结构。可用如下材料：聚苯乙烯微粒铝粉蜡和松脂的混合物制成的银白色小球油滴13Q=19.5ml/s,C=3.813g/l,Ws≈13.2mm/s含颗粒射流14Q=23.8ml/s,C=3.374g/l,Ws≈13.2mm/s154.漂浮物法自由表面...