CN103150946A - 一种二维流动显示装置 - Google Patents

Abstract

一种二维流动显示装置，涉及一种流体力学中流场显示设备。设有整体框架、液压回路与流动显示控制机构；所述液压回路设在整体框架上。所述整体框架设有下底板、上端板、左侧板、右侧板和实验台；所述液压回路设有下水箱、液压泵、单向阀、输水管、上水箱、节流阀、出水管和溢流管，所述流动显示控制机构设有导流线、拉线和砝码。制作简单方便，成本较低，占用空间小，方便移动。采用垂直循环流动的肥皂液薄膜作为显示平台。肥皂液薄膜的宽度可调。出水口处水流的流量速度可调。能清楚展现流体的运动状态，观察到流体的局部现象，并对流动现象的演变形成近距离的观察与认识。

Description

一种二维流动显示装置

技术领域

本发明涉及一种流体力学中流场显示设备，尤其是涉及一种二维流动显示装置。

背景技术

在自然界中存在许多错综复杂的流动，而这些流动在工程领域、工业生产以及与天文、生物、化学、气象、海洋及物理等相关领域中的应用都是非常重要的，但是由于流动现象复杂多变且不易捕捉，如何观察到流体的运动，并对流体的运动展开研究成为了人们不断探索的问题。

在流体力学中，绝大多数重要的概念和原理都源于实验，而利用流动显示的方法使流体力学的研究成为了可能。为了能够通过流动显示观察和研究流体的流动特性，人们不断探索发展新型的流体研究设备。目前比较成熟的设备就是传统的水洞（风洞），但是一套高品质的水洞（风洞）不仅造价高昂，同时为了确保流场的品质，水洞（风洞）所需要的占地面积巨大，实验成本过高，不利于流体力学实验的推广普及。

因此在众多类型的流体研究设备发展的今天，人们依然在不断探索新型流体研究实验装置和设备。为了研究问题的简便，人们提出了多种多样的简化模型，二维流动就是其中之一。很多流动现象，如大气流动、洋流、大展弦比机翼绕流等，都可近似作为二维流动来处理。正是因为这一简化，流体力学才在理论分析、实验研究和数值计算等方面取得了长足的发展。

近年来，二维流动显示的研究变得越来越重要，对二维流动的研究也越来越深入。对于二维流动显示的研究，肥皂膜水洞这一独特设备引起了研究人员的极大兴趣，其核心思想就是用一张流动的肥皂膜来模拟二维流动。而连续流动式肥皂膜水洞是一种新型而经济的实验设备，它是利用肥皂膜很薄的特性（约1～10μm）来制造理想的二维流。由于肥皂膜的厚度会受流场及重力的影响而有些许的变化，因此使得肥皂膜呈现五彩缤纷的干涉条纹，这提供了我们观察流场最自然且最直接的方法。此二维肥皂膜流动显示装置不仅可作为一种生动活泼的教学工具，更可成为学术研究的利器。测试结果及所得流场观测照片都显示出此装置在研究二维流问题上的直观性与有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维流动显示装置。

本发明设有整体框架、液压回路与流动显示控制机构；

所述液压回路设在整体框架上，实现肥皂液薄膜的循环流动，当薄膜流经实验模型时，模型后部的流场分布将在薄膜上直接显示出来。

所述整体框架设有下底板、上端板、左侧板、右侧板和实验台；左侧板和右侧板垂直固定在下底板两侧，上端板水平固定在左侧板和右侧板顶部，实验台水平固定在左侧板和右侧板中间；实验模型安置在实验台中间并垂直通过肥皂薄膜，在左侧板和右侧板中下部分别固定一根钢尺。

所述液压回路设有下水箱、液压泵、单向阀、输水管、上水箱、节流阀、出水管和溢流管，所述下水箱的出水口接液压泵的入口，液压泵的出口经输水管和单向阀接上水箱，上水箱的肥皂液出口经出水管和导流线接下水箱，构成一个循环的液压回路，所述节流阀设在出水管的出口处，控制出水管的水流流量与速度；设在上水箱上部的溢流口通过溢流管与下水箱的下部连通；单向阀设在液压泵上部，以防止水流倒流。

所述流动显示控制机构设有导流线、拉线和砝码。从出水管流出的水柱，经过导流线的扩张段后，渐渐的被拉伸为一平面，形成肥皂液薄膜，经过导流线上的平行段，该薄膜平面中的水流趋于稳定，形成均匀稳定的流场。当薄膜中的水流流过实验模型，如实验圆柱后，圆柱后面卡门涡街的分布将导致薄膜局部厚度的变化，由于光的干涉作用，肥皂薄膜上将产生明暗相间的条纹，此时圆柱后面的流场信息就被直观的反映在薄膜上。

所述拉线的一端系在导流线上，拉线的另一端与磁铁固接，所述砝码悬挂在导流线下端。

肥皂液薄膜宽度的变化方式为：拉线一端系在导流线上，另一端与一磁铁固定。磁铁由于磁力作用被吸附在钢尺上，同时改变磁铁在钢尺上的吸附点即可改变拉线之间的宽度，进而改变了肥皂薄膜的宽度。所述砝码悬挂在导流线下端，用于保证导流线始终垂直向下，进而确保了肥皂液薄膜的稳定性。

本发明中使用的肥皂液采用肥皂与水均匀混合的方式，也可采用洗洁剂、洗手液等与水进行配制。

本发明的突出优点在于：

1、与传统意义上的水洞（风洞）相比，本发明制作简单方便，成本较低，占用空间小，方便移动。

2、采用垂直循环流动的肥皂液薄膜作为显示平台，能将实验物体的二维流场信息直观的显示出来。

3、肥皂液薄膜的宽度可调。

4、出水口处水流的流量速度可调。

5、在流体力学中，绝大多数重要的概念和原理都源于流动实验，二维流动显示以其独特的简洁性成为近几年来流动显示的重要研究方法之一。本发明是垂直悬挂的二维肥皂膜流动显示装置，它能清楚展现流体的运动状态，观察到流体的局部现象，并对流动现象的演变形成近距离的观察与认识。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例设有整体框架、液压回路与流动显示控制机构；

所述液压回路设在整体框架上，实现肥皂液薄膜的循环流动，当薄膜流经实验模型时，模型后部的流场分布将在薄膜上直接显示出来。

所述整体框架设有下底板1、上端板11、左侧板4、右侧板21和实验台17；左侧板4和右侧板21垂直固定在下底板1两侧，上端板11水平固定在左侧板4和右侧板21顶部，实验台17水平固定在左侧板4和右侧板21中间；实验模型安置在实验台17中间并垂直通过肥皂薄膜16。在左侧板4和右侧板21中下部分别固定一根钢尺20。

所述液压回路设有下水箱2、液压泵3、单向阀5、输水管10、上水箱12、节流阀14、出水管13和溢流管18，所述下水箱2的出水口接液压泵3的入口，液压泵3的出口经输水管10和单向阀5接上水箱12，上水箱12的肥皂液出口经出水管13和导流线接下水箱，构成一个循环的液压回路，所述节流阀14设在出水管13的出口处，控制出水管13的水流流量与速度；设在上水箱12上部的溢流口通过溢流管18与下水箱2的下部连通；单向阀5设在液压泵3上部，以防止水流倒流。

所述流动显示控制机构设有导流线6、拉线9、肥皂液薄膜16和砝码22。从出水管流出的水柱，经过导流线的扩张段后，渐渐的被拉伸为一平面，形成肥皂液薄膜，经过导流线上的平行段，该薄膜平面中的水流趋于稳定，形成均匀稳定的流场。当薄膜中的水流流过实验模型，如实验圆柱后，圆柱后面卡门涡街的分布将导致薄膜局部厚度的变化，由于光的干涉作用，肥皂薄膜上将产生明暗相间的条纹，此时圆柱后面的流场信息就被直观的反映在薄膜上。

所述拉线9的一端系在导流线6上，拉线9的另一端与磁铁19固接，所述砝码22悬挂在导流线6下端。

肥皂液薄膜宽度的变化方式为：拉线一端系在导流线上，另一端与一磁铁19固定。磁铁19由于磁力作用被吸附在钢尺上，同时改变磁铁在钢尺上的吸附点即可改变拉线之间的宽度，进而改变了肥皂薄膜的宽度。

所述砝码22悬挂在导流线6下端，用于保证导流线始终垂直向下，进而确保了肥皂液薄膜16的稳定性。

所述整体框架可采用铝型材搭建，各板之间的固定优选角件并采用螺栓螺母配合固定。

在下底板1的中间固定安置下水箱2，在上端板11的中间安置上水箱12。上水箱12右侧上部设置溢流口，下部左右分别设置进水口和出水口。下水箱2的下部左边设置输水口，通过输水管10与上水箱12下部左侧的进水口相连。下水箱2的下部右边设置溢流回流口，通过溢流管18与上水箱12上部右侧的溢流口相连。在左侧板4和右侧板21上分别固定一个圆柱销15和钢尺20，钢尺20位于圆柱销15下端。

本装置中液压回路的实施：在输水管10上安装液压泵3和单向阀5，其中液压泵3安装在单向阀5下面。液压泵3一端接下水箱2的输水口，一端与单向阀5相接。出水管13一端接上水箱12下部右侧的出水口，另一端垂直向下固定在上端板11的中间，在出水管13上固定一个节流阀14，用以控制出水管出口处的流量与速度。输水管10、出水管13与溢流管18在与上下水箱相接时，均采用过盈配合的安装方式，同时再用紧固圈锁紧。

流动显示控制机构的安装实施：在出水管13的下端出口处固定两根导流线6，导流线6的另外一端各悬挂一个砝码22。在两根导流线6上部约1/4处各固定一根拉线9。拉线9水平绕过圆柱销15，拉线9另一端固定一个磁铁19，通过磁力被吸附在钢尺20上。拉线9的直径为导流线6直径的1/4～1/5。改变磁铁19在钢尺20上的吸附点，即可改变两根导流线6中间肥皂液薄膜16的宽度。

实验台17左右两端分别水平固定在左侧板4和右侧板21的中间。实验模型，如实验圆柱8采用角件与螺栓螺母相配合装夹在实验台17的中间，卡门涡街7是当实验模型为实验圆柱8的条件下，在肥皂液薄膜16上观测得到的。

本发明中的液体采用水和洗洁剂按100∶5的体积比进行配制。

Claims (1)

1.一种二维流动显示装置，其特征在于设有整体框架、液压回路与流动显示控制机构；

所述液压回路设在整体框架上，实现肥皂液薄膜的循环流动；

所述整体框架设有下底板、上端板、左侧板、右侧板和实验台；左侧板和右侧板垂直固定在下底板两侧，上端板水平固定在左侧板和右侧板顶部，实验台水平固定在左侧板和右侧板中间；实验模型安置在实验台中间并垂直通过肥皂薄膜，在左侧板和右侧板中下部分别固定一根钢尺；

所述液压回路设有下水箱、液压泵、单向阀、输水管、上水箱、节流阀、出水管和溢流管，所述下水箱的出水口接液压泵的入口，液压泵的出口经输水管和单向阀接上水箱，上水箱的肥皂液出口经出水管和导流线接下水箱，构成一个循环的液压回路，所述节流阀设在出水管的出口处，控制出水管的水流流量与速度；设在上水箱上部的溢流口通过溢流管与下水箱的下部连通；单向阀设在液压泵上部，以防止水流倒流；

所述流动显示控制机构设有导流线、拉线和砝码；所述拉线的一端系在导流线上，拉线的另一端与磁铁固接，所述砝码悬挂在导流线下端。

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