流線演示儀的制作及應用

沙育年,錢學忠

(楚雄師范學院物理與電子科學系,云南楚雄675000)

流線演示儀的制作及應用

沙育年,錢學忠

(楚雄師范學院物理與電子科學系,云南楚雄675000)

利用有機玻璃、排水管、水閥染料容器板等制作了流線演示儀,采用對工作液體染色的方法,避免了工作液體和有色液體的壓力差.利用本儀器,對圓形障礙物、流線體和機翼模型周圍的流線進行演示,流線穩定、清晰.

流線;染料;圓形障礙物;流線體;機翼模型

在流體力學中引入流線來直觀形象地表述流場.而在教學中一般只見教師在黑板上畫流線,應用流線,很難見到實際的流線的實驗演示.觀察流動圖案是學習和研究流體力學的重要方法,也是流體力學實驗的重要內容之一.觀察原形流動和模型流動可以獲得液體流動的感性知識,促進對理性知識的理解.為了提高流體力學內容的教學效率和效果,設計制作了流線演示儀,用于教學后學生很感興趣.

1 實驗原理

跡線是運動中的某一流體質點在連續時間內所占據空間點的連線,也就是流體質點的運動軌跡.流線是某一瞬間在流速場中所作的曲線,在這條曲線上的各個質點在該瞬間的速度矢量都與此線相切.假如在通過空間的各點都描繪出同一瞬間的流線,那么這些流線的綜合就可描繪出整個空間在該瞬間的流動景象.在定常流動中,流速場不隨時間改變,流線形狀也不會隨時間改變.跡線和流線互相重合.因此,在定常流動中,知道了跡線,也就知道了和跡線相重合的流線.如果使通過某些固定點的流體質點染色,便可以觀察到流體的跡線,也就是觀察到了流線.根據這一原理設計制作了流線演示儀.

2 流線演示儀的結構

流線演示儀主體結構如圖1所示.流線演示儀附件:染料容器板、各種形狀的障礙物、固體染料顆粒(如高錳酸鉀顆粒)、水槽、進水管等.

圖1 流線演示儀照片

水箱和透明平行板均用厚度為5.0 mm的有機玻璃制成.水箱長20.0 cm,寬16.0 cm,高20.0 cm;上端開放,下端與透明平行板相聯通;在距上口沿2.0 cm處打一直徑1.0 cm的溢液孔,安裝溢液管;其余密封.透明平行板內高40.0 cm,寬18.0 cm,厚度14.0 mm,兩透明平行板之間相距4.0 mm;上端開口,并與水箱連成一個整體;下端中點開一直徑為4.0 mm排水孔,其余密封.排水孔與塑料排水管相通,排水管上安裝1個水閥,以控制下流水量.染料容器板是用有機玻璃制成的帶小孔的長方形板條,其長為19.5 cm,寬1 cm,厚2 mm.染料容器板上的小孔直徑2.0 mm,深2.0 mm,底部粘上透明膠帶,再用直徑0.4 mm的金屬線加熱后在底部穿孔,形成上大下小的小孔,小孔間距8 mm左右,均勻地排成一排.染料容器板密度要比工作液體大,可以自由取出、放入,實驗前在小孔內放入固體染料顆粒(如高錳酸鉀顆粒等)備用.由于底部孔徑較小,稍大的染料顆粒并不會漏掉,而是留在上大下小的孔中.染料容器板可以制作多塊,孔間距可以各不相同,以適應各種障礙物的演示需要.各種障礙物用厚4.0 mm(厚度與透明平行板間距相同)的有機玻璃制成,表面粘上彩色膠紙,演示時放在透明平行板間適當位置.

儀器材料:自制流線演示儀及附件、水、水槽、秒表、250 m L量筒、毫米刻度尺、游標卡尺、高錳酸鉀、水銀溫度計.

3 儀器的使用

先在染料容器板條的小孔中裝入染料顆粒,將帶染料顆粒的染料容器板條放入水箱底部透明平行板上口沿位置;用輸水管將工作液體(如水等)緩慢地注入水箱,注意不要將輸水管的水直接沖在染料容器板條上,以免將染料顆粒沖到不需要處.工作液體從水箱流過染料容器進入相距4.0 mm的透明平行板之間.經過染料顆粒處的工作液體被染料染色與其他未被染色的水一起進入透明平行板之間,工作液體在透明平行板之間形成流譜.工作液體最后經排水管、水閥排出.如果要觀察障礙物對流體流動的影響,應事先在兩平行板間放入障礙物,再放入染料容器板,用水管向水箱內緩慢地注入工作液體,打開水閥讓工作液體流出,調節水閥控制流速.如果注入的工作液體大于水閥的排出量,多余的工作液體由溢液管溢出,以控制和穩定流速.為了照相,可以在透明平行板背面放一純白色背景屏.

本儀器采用直接給工作液體染色的方法.不存在工作液體和有色液體間有壓力差的情況,儀器使用方便,圖像穩定時間長,為觀察定常流狀態提供了條件.

流速測量:待流速v穩定后,用水槽收集在時間t內流出的水;用量筒量出時間t內流出的水的體積V;用秒表記錄時間 t;測量出透明平行板

4 儀器應用實例

4.1 圓形障礙物周圍的流線演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,圓形障礙物直徑41.5 mm,厚4.0mm.水的流速為3.3×10-3m/s,水溫21℃.工作液體從上端流入,觀察到的流線如圖2所示.可以看出圓形障礙物周圍的穩定流動流線有很好的對稱性.考慮到圓板的厚度時,此圓板就成了圓柱.此時對圓板的繞流就成了無環量圓柱繞流情況,這一點可以和許多流體力學著作中的圖有很好的相似性.流體經過圓柱后,在后端形成一模糊區,是一個流速很小的區域,可能是渦流的作用結果.

圖2 圓形障礙物周圍的流線圖

4.2 流線體附近的流譜演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,水的流速為4.2×10-3m/s,水溫21℃.觀察到長為72.3 mm,最寬處為16.1 mm,厚4.0 mm的對稱流線形柱體障礙物周圍的流線,如圖3所示.可以看出包括尾端在內的流線都很流暢,沒有模糊區,無渦流.

圖3 流線體附近的流線圖

4.3 機翼模型周圍的流譜演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,水的流速為4.2×10-3m/s,水溫21℃.觀察到長為72.4 mm,最寬處為12.6 mm,厚4.0 mm橫截面為機翼的柱體模型周圍的流線如圖4所示.流線與障礙物很吻合,都很流暢.凸面(左邊)流線間距兩側寬中間窄的現象明顯,說明了流速變化明顯.

圖4 機翼模型周圍的流線圖

該自制的流線演示儀的工作液體最大流速為1.43×10-2m/s,使演示范圍受到了一定限制.

[1]陳克城.流體力學實驗技術[M].北京:機械工業出版社,1983.

[責任編輯:郭 偉]

Production and application of stream line demonstrator

SHA Yu-nian,Q IAN Xue-zhong(Physics and Electronic Science Department,Chuxiong No rmal University,Chuxiong 675000,China)

The stream line demonstrator was made by o rganic glass,drain-pipe,dye,etc.The p ressure difference between working liquid and colored liquid wasavoided by dyeing someworking liquid.U sing the stream line demonstrator,the stream lines of circular obstacle,stream line body and w ing model were demonstrated,and the stream lineswere stabile and clear.

stream line;dye;circular obstacle;stream line body;w ing model

O351.2

A

1005-4642(2011)01-0031-03

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-05-26

沙育年(1953-),男,云南大姚人,楚雄師范學院物理與電子科學系副教授,從事實驗物理教學與研究工作.