新型裝配式流體力學綜合實驗裝置的設計

趙潤辰,胡婭雯,焦艷梅,嚴愿萍

(南京工業大學,a.土木工程學院;b.機械工程與動力學院;c.數理科學學院;d.圖書館,南京211816)

0 引言

流體力學相關實驗在教學過程中起著非常重要的認知與指導作用。為降低此類實驗裝置采購、裝配、維護、儲存等成本,研究人員研發出了一系列綜合性流體實驗裝置,且較為成熟,但在空間、零整比、利用率、壽命、精準度等方面仍存在不足之處。本研究提出了一種新型裝配式流體力學綜合實驗裝置,該裝置具有實驗功能全面、穩流效果好、可拓展性強、成本低、使用壽命長等優點。

1 實驗裝置

基于本裝配式流體力學綜合實驗裝置可分別進行雷諾實驗、卡門渦街、管口出流實驗,實驗裝置總體分為共用組件和非共用組件兩部分。其中,共用組件主要包括穩流水箱、蓄水箱、流體循環組件;非共用組件主要有雷諾出流組件、卡門渦街明渠組件、管嘴及孔口出流組件。此新型裝配式流體力學綜合實驗裝置各個組件具體信息如下：

1.1 共用組件

1.1.1 蓄水水箱及流體循環組件

如圖1所示,本裝配式流體力學綜合實驗裝置使用的蓄水箱規格為700 mm×500 mm×1000 mm,為保證實驗時流體有效循環,蓄水量至少應達到蓄水箱體積的80%。根據人體工學需求,實驗操作高度約為1.3 m,故本裝置選取最大揚程為2 m的抽水泵[1]。水泵、進水管、回水過濾槽、回水管道一起構成流體循環組件。

圖1 裝配式流體力學綜合實驗裝置

1.1.2 穩流水箱

共用組件穩流水箱(圖2-a)由PMMA透明板材拼接膠合而成,規格為500 mm×410 mm×250 mm,并配套3款不同實驗功能下的連接構件。創新性設計了插入式二氧化硅顆粒穩流抽屜,與溢流壩一起構成了便于拆裝、清洗、維護的可拆卸式穩流核心結構。其中,穩流抽屜(圖2-b)由II板、III板、一個孔狀底板、兩個無孔擋板膠合密封而成,內部充滿直徑為Sφ4、Sφ6、Sφ8的二氧化硅顆粒。溢流壩I板頂端設計成弧形,可有效避免液體飛濺。根據整流理論,在II板、III板上均勻密集開鑿多個平孔和平半圓孔(低端末排)用于實驗運行時穩定水位或實驗結束時排空裝置內積水[2-3]。底板設計為孔狀結構,以便在穩流抽屜提起時及時、快速排水,防止穩流抽屜膠合處爆裂。穩流抽屜的孔狀側板III和溢流壩豎直邊緣均設計成角度為45°的V型凸起。穩流箱體兩側面開有角度為45°的V型溝槽。V型凸起與V型溝槽在組裝時快速嚙合,能夠有效降低穩流組件組裝難度,提高穩流組件間的密封性、穩定性、抗磨損性等性能。

圖2 穩流水箱

1.2 非共用組件

本裝配式流體力學綜合實驗裝置具有較好的可拓展性,通過增加或替換滿足不同實驗項目要求的非共用組件,達到實驗項目拓展的目的。本實驗裝置示范性實驗所需的非共用組件包括雷諾出流組件用于完成雷諾實驗、卡門渦街明渠組件用于完成卡門渦街實驗、管嘴與孔口出流組件用于完成管嘴與孔口出流實驗。為了滿足不同實驗組件間高效、快速切換,在傳統實驗裝置基礎上探索研發了共用組件與非共用組件間的規格化可拆卸接口及相應自鎖系統。

1.2.1 可拆卸接口及相應自鎖系統

如圖3所示,應用規格化可拆卸接口可大幅度降低頻繁拆裝過程對接口的磨損,為拓展開發其他實驗提供可能性。設計了一套便于快捷安裝的自鎖密封系統,該系統不同于傳統膠合密封系統,蓄水初期階段由于水位較低,擋板底部滲水為主,故在實驗擋板與穩流水箱的接觸面(圖2-a)上附著一層亞克力密封膠,在快拆器的機械擠壓力作用下實現實驗擋板與穩流水箱間的密封。蓄水中后期水位較高,此時蓄水箱內水體對實驗擋板產生較大水平方向壓力,從而進一步強化自鎖密封效果。在轉換實驗項目時,掰開快拆器并松開快拆器螺栓位點對應的內側螺絲后抽出擋板,隨即插入所要進行實驗項目的對應擋板及其非共用組件,完成更換操作。

圖3 可拆卸擋板

1.2.2 雷諾出流組件

如圖4所示,雷諾出流組件由以下部件構成：符合可拆卸接口要求的可拆卸擋板;示蹤試劑導流部件,其導流管底部與出流流體流動方向一致;出流管,該管使用規格為φ20×4的PMMA空心管材,在出流管出口后端安裝無級流量閥,用以調控管內流體出流速度;雷諾漸縮管嘴,其管徑呈高階可導曲線,用以提供漸變流,管嘴兩端內口徑分別為φ100×6、φ26×6;防滾支架,用于支撐、固定出流管。

圖4 雷諾實驗出流組件

1.2.3 卡門渦街明渠組件

如圖5所示,卡門渦街明渠組件在A處無擋板,B處設有溢流壩(末端擋板)。明渠兩側擋板采用PMMA透明板材用于觀察、捕捉卡門渦街現象,其規格為1110 mm×400 mm×10 mm;B處溢流壩與穩流水箱溢流壩采用同樣的弧形設計,起到防止液體飛濺和控制水位的目的,其規格為150 mm×300 mm×10 mm。

圖5 卡門渦街實驗組件

1.2.4 管嘴與孔口出流組件

如圖6-a所示,實驗所用不同管嘴與孔口通過切換輪盤進行調節,輪盤通過螺栓固定在穩流水箱擋板上。管嘴接口直徑為φ20 mm,可根據實驗需求定制加工不同形狀的管嘴,并通過UV膠固定至A、B、C處位置。選用的管嘴結構如圖6-b所示。

圖6 管嘴出流實驗組件

2 實驗方法與結果

2.1 雷諾實驗

雷諾數是表征流體黏性影響的無量綱數,就物理意義而言,其數值反映了慣性力與黏性力比值的大小。臨界雷諾數則是流態轉變的關鍵指示性參數,分為上臨界雷諾數和下臨界雷諾數。前者是指層流向紊流轉化時的臨界雷諾數,后者是指紊流向層流轉化時的臨界雷諾數[4-5]。針對圓管的雷諾實驗研究普遍認為,上臨界雷諾數不穩定,變化范圍在5000～40 000,而下臨界雷諾數相對比較穩定,數值為2320[6]。故實際應用中一般采用下臨界雷諾數作為流動狀態是層流還是紊亂的判斷依據[7]。基于設計制作的雷諾出流實驗裝置系統測得臨界雷諾數實驗數據如表1所示。對上述數據進行上、下臨界雷諾數單樣本K-S正態檢驗進一步得到上、下臨界雷諾數分布(圖7)。研究發現,實驗測得的下臨界值服從正態分布,均值為2260.7,標準差為139.3;上臨界值測得同樣服從正態分布,均值為11 362.4,但相應樣本標準差較大,約為1897。此結論與雷諾實驗研究普遍結論一致,故本裝置在進行雷諾實驗方面具有較高的準確性和較好的應用價值。

表1 臨界雷諾數測量數據

圖7 上、下臨界雷諾數單樣本K-S正態檢驗

出流管直徑D為2×10-2m,實驗溫度T為14 ℃,運動黏度μ為1.171×10-6m2/s,當地重力加速度9.76 m/s2。為合理降低實驗誤差,以上每次實驗時間均不相等,下同。

2.2 管嘴與孔口出流實驗

裝置使用水頭式瞬時數顯流量儀,通過循環監測的方式分別測量不同管嘴和孔口的流量。在水頭H0作用下薄壁管嘴或孔口自由出流時的流量qV可用下式計算：

(1)

其中,φ=1/(1+ζ)1/2為流速因數,ζ是阻力因數;ε=Ac/A為收縮因數,Ac、A分別為收縮斷面面積、斷面面積;ν=εφ為流量因數;g為重力加速度;H0=H+αv20/(2g),由于管嘴與孔口出流速度水頭αv20/(2g)較小,此項可忽略不計。

本實驗對圖6所示幾種不同出流實驗項目從左至右依次為孔口、直角管嘴A、圓錐管嘴、直角管嘴B分別進行出流實驗觀測,各參數如表2所示。可以看出,當水箱液位相差不大時,所測得流體流量相差較大。在一定水位高度下,管嘴與孔口的形狀及流道收縮面變化狀態對流體出流流速影響較大。經對比研究,管嘴與孔口出流實驗所得數據與工程流體力學實驗指導用書[8-9]提供的經驗值之間的差值在合理誤差范圍內。說明本裝置在進行管嘴與孔口出流實驗方面具有較高的準確性和較好的應用價值。

表2 管嘴與孔口出流的測試實驗數據

2.3 卡門渦街實驗

新型裝配式流體力學綜合實驗裝置為定性觀測卡門渦街現象提供了優良的操作與觀測平臺。按照實驗要求實驗人員通過高精度針管泵(SPLab02)精準控制示蹤試劑流速,當流速合適時卡門渦街現象即可發生。此時可透過透明的PMMA擋板直接觀測或捕捉到清晰的卡門渦街現象(圖8)。

圖8 卡門渦街實驗現象

3 結論

與傳統流體力學實驗裝置及其他同類型流體力學實驗裝置相比,新型裝配式流體力學綜合實驗裝置具有以下優勢：創新性使用可拆卸式穩流原件,極大提升了裝置的可維護性、穩流性等性能。設計采用的規格化可拆卸開放式接口不僅具有較強的可拓展性,還可大幅度降低頻繁拆裝過程對接口的磨損。由透明PMMA材料研制而成的實驗操作及觀測平臺密封性能優良,易于操作及觀測,造價低廉。針對本實驗裝置的后期破壞性實驗顯示：采用的加固條設計有效提高了裝置耐熱、耐腐蝕等特性,在實驗教學環節可為學生提供實驗拓展方面的最大自由度,促進學生在思考設計非共用組件的同時激發興趣,提升自主動手創新能力,能夠從激發學生自主動手創新能力角度出發,極大程度促進高校建立健全設施完備、功能齊全的基礎流體力學實驗室,完善相關學科培養體系。