CN108597324A - 一种用于演示卡门涡街效应的实验装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于演示卡门涡街效应的实验装置，水槽一侧外部设有水泵，圆柱体竖直立于水槽中靠近水泵的一端，圆柱体外周嵌套有套筒；测速仪安装于圆柱体与水泵之间；游标定位装置包括支撑杆、两个纵杆和对应的若干横杆，纵杆与横杆均与水槽底部相平行，支撑杆立于水槽中，纵杆通过腰型槽与支撑杆连接，且每个纵杆上均通过腰型槽垂直交叉连接有若干横杆，各个横杆上均通过腰型槽连接有软管，软管的另一端固定有倒置的锥形瓶；锥形瓶的瓶底对称开设有一组接口，两个接口上分别配有气压泵和烟雾气泵。本发明可现场通过改变流体速度和绕流物体的几何尺寸改变雷诺数，进而探讨卡门涡街与雷诺数之间的关系，强化学生对卡门涡街的理解。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学实验仪器技术，具体涉及一种用于演示卡门涡街效应的实验装置及其操作方法。
背景技术
卡门涡街是流体力学中重要的流体现象，在自然界中常可遇到，一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如图1所示。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。
卡门涡街后涡的交替发放会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，其频率与流动速度和物体尺寸有关。如果这样的发放频率和物体自由振动频率相耦合时，就会使物体振动加大，甚至对物体造成破坏。
目前针对卡门涡街的认知学习，主要集中在书本理论学习方面，在具体教学时一般只演示烟风洞实验，实验现象不明显，不能让学生直接参与到卡门涡街的实验中，从而影响学生深入了解卡门涡街。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种用于演示卡门涡街效应的实验装置及其操作方法。
技术方案：本发明的一种用于演示卡门涡街效应的实验装置，包括水槽，以及设置于水槽中的圆柱体、游标定位装置、测速仪和锥形瓶，所述水槽一侧外部设有水泵，所述圆柱体竖直立于水槽中靠近水泵的一端，圆柱体外周嵌套有套筒；所述测速仪安装于圆柱体与水泵之间；所述游标定位装置包括支撑杆、两个纵杆和对应的若干横杆，纵杆与横杆均与水槽底部相平行，支撑杆立于水槽中，纵杆通过腰型槽与支撑杆连接，且每个纵杆上均通过腰型槽垂直交叉连接有若干横杆，各个横杆上均通过腰型槽连接有软管，软管的另一端固定有倒置的锥形瓶；所述锥形瓶的瓶底对称开设有一组接口，两个接口上分别配有气压泵和烟雾气泵。
其中，通过气压泵调节锥形瓶瓶内的气压，通过烟雾气泵既可向锥形瓶瓶内填注实验材料苯，也可向锥形瓶瓶内泵入烟气。
进一步的，所述水槽整体呈长方体状，水泵安装于水槽上短边一侧外部，纵杆平行于水槽的长边，横杆平行于水槽的短边，水泵可用来控制水槽中的水流速度，同时通过测速仪实时监测圆柱体前方的水流速度。
为了增加整个装置的稳固性以及使用寿命，所述纵杆和横杆均可由钢条制成 (或者其他材料也行，例如铝等)，且纵杆和横杆的表面均设置有刻度，这样通过分别记录横杆和纵杆上的刻度来识别锥形瓶的位置，以便于精准调节各个锥形瓶的位置，所述支撑杆与水槽底部固定相连。
为了提高演示卡门涡街实验的精确性，每一个纵杆上得横杆的数量均至少大于5。
进一步的，所述圆柱体底部设有螺纹，且螺纹部固定于水槽底板相应的螺纹孔；套筒的直径大于圆柱体的直径，不同通过调整圆通的直径来以改变圆柱体整体的几何尺寸，以适应不同的实验，且圆柱体与套筒上设有键槽，由平键实现套筒在圆柱体上的周向固定。
锥形瓶的两个接口上分别安装有第一开关和第二开关用于分别控制气压泵和烟雾气泵。
所述水槽整体由亚克力玻璃制成，所述测速仪靠近圆柱(即水流的测速仪放置于圆柱之前但距离不应太远，以使得测量的速度尽可能的准确，例如5厘米到 10厘米位置处)；所述锥形瓶瓶口的直径大于涡的直径。
本发明还公开了一种用于演示卡门涡街效应的实验装置的操作方法，具体步骤如下：
(1)将锥形瓶倒置连接在游标定位装置上各个相应位置处，并将锥形瓶瓶口浸入水下3-5cm，通过烟雾气泵向瓶内注入适量溶有偶氮红色颜料的苯，通过气压泵吸走瓶内部分空气，减小瓶内气压，关闭瓶底接口开关，扭动软管提高锥形瓶使瓶口浸入水下1-2cm，同时调节气压泵和烟雾气泵，保持瓶内气压不变，向瓶内泵入烟气；
(2)将每一个纵杆上奇数位位置的各个锥形瓶作为涡的显示和放大装置，同时将相应偶数位位置的各个锥形瓶作为涡的间隔对照组；
(3)不断移动游标定位装置的位置(即是指横杆沿着纵杆进行纵向移动，软管沿着横杆进行横向移动，通过在水平四个方向的不断移动)，找到绕流物体后面的涡；由于瓶外气压大于瓶内气压，涡被挤入瓶内发生，由于苯不溶于水，密度、粘度比水小，在水涡的扰动下，水涡将相当的涡能量传递给苯，使苯产生更大的涡；同理，烟气不溶于苯，密度、粘度远小于苯，在苯涡的扰动下，苯涡将相当的涡能量传递给烟气，使烟气产生更大的涡；随着锥形瓶向上横截面积不断变大，三层流体(水、苯、烟雾)产生的涡不断变大，且层次分明。
进一步的，在步骤(3)中过程可同时通过配合使用水泵和测速仪调节水速，更换不同的圆柱套筒改变绕流物体的几何尺寸，进而改变实验中的雷诺数，探究不同雷诺数下的卡门涡街效应。
有益效果：
(1)本发明利用水、苯和烟气之间较大的密度、粘度差别和不溶性，两次放大卡门涡街效应，可得到较好的可视化效果，加深学生对实验的印象。
(2)针对传统烟风洞演示实验只能观看不能动手操作的不便性缺陷，本发明可现场通过改变流体速度和绕流物体的几何尺寸改变雷诺数，进而探讨卡门涡街与雷诺数之间的关系，强化学生对卡门涡街的理解，并且更具有趣味性。
附图说明
图1为卡门涡街的示意图；
图2为实施例整体实验装置的俯视图；
图3为图2中A-A向纵剖面示意图；
图4为实施例中锥形瓶细节图；
图5为实施例中涡街发放与雷诺数关系图。
图6为图2中B局部放大示意图；
图7为图6的正视图(未画锥形瓶)。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图2至图4所示，本发明的一种用于演示卡门涡街效应的实验装置，包括水槽1，以及设置于水槽1中的圆柱体5、游标定位装置2、测速仪6和锥形瓶4，所述水槽1一侧外部设有水泵7，所述圆柱体5竖直立于水槽1中靠近水泵7的一端，圆柱体5外周嵌套有套筒11，圆柱体5与套筒11上设有键槽，由平键15实现套筒11 的周向固定；所述测速仪6安装于圆柱体5与水泵7之间；所述游标定位装置2包括支撑杆8、两个纵杆和对应的若干横杆，纵杆与横杆均与水槽1底部相平行，支撑杆8立于水槽1中，纵杆通过腰型槽与支撑杆8连接，且每个纵杆上均通过腰型槽垂直交叉连接有若干横杆，各个横杆上均通过腰型槽连接有软管，软管的另一端固定有倒置的锥形瓶4；所述锥形瓶4的瓶底对称开设有一组接口，两个接口上分别配有气压泵9和烟雾气泵10。
其中，通过气压泵9调节锥形瓶4瓶内的气压，通过烟雾气泵10既可向锥形瓶 4瓶内填注实验材料苯14，也可向锥形瓶4瓶内泵入烟气。
进一步的，所述水槽1整体呈长方体状，水泵7安装于水槽1上短边一侧外部，纵杆平行于水槽1的长边，横杆平行于水槽1的短边，水泵7可用来控制水槽1中的水流速度，同时通过测速仪6实时监测圆柱体5前方的水流速度。
为了增加整个装置的稳固性以及使用寿命，所述纵杆和横杆均可由钢条制成 (或者其他材料也行，例如铝等)，且纵杆和横杆的表面均设置有刻度，这样通过分别记录横杆和纵杆上的刻度来识别锥形瓶4的位置，以便于精准调节各个锥形瓶4的位置，所述支撑杆8与水槽1底部固定相连。
为了提高演示卡门涡街实验的精确性，每一个纵杆上得横杆的数量均至少大于5。
进一步的，所述圆柱体5底部设有螺纹，且螺纹部固定于水槽1底板相应的螺纹孔；套筒11的直径大于圆柱体5的直径，不同通过调整圆通的直径来以改变圆柱体5整体的几何尺寸，以适应不同的实验。
锥形瓶4的两个接口上分别安装有第一开关12和第二开关13用于分别控制气压泵9和烟雾气泵10。
所述水槽1整体由亚克力玻璃制成，所述测速仪6靠近圆柱(即水流的测速仪 6放置于圆柱之前但距离不应太远，以使得测量的速度尽可能的准确，例如5厘米到10厘米位置处)；所述锥形瓶4瓶口的直径大于涡的直径。
本发明还公开了一种用于演示卡门涡街效应的实验装置的操作方法，具体步骤如下：
(1)将锥形瓶4倒置连接在游标定位装置2上各个相应位置处，并将锥形瓶4瓶口浸入水下3-5cm，通过瓶底接口向瓶内注入适量溶有偶氮红色颜料的苯14，通过气压泵9吸走瓶内部分空气，减小瓶内气压，关闭瓶底接口开关，提高锥形瓶4使瓶口浸入水下1-2cm，同时调节气压泵9和烟雾气泵10，保持瓶内气压不变，向瓶内泵入烟气；
(2)将每一个纵杆上奇数位位置的各个锥形瓶4作为涡的显示和放大装置，同时将相应偶数位位置的各个锥形瓶4作为涡的间隔对照组；
(3)不断移动游标定位装置2上各个横杆的位置，找到绕流物体后面的涡；由于瓶外气压大于瓶内气压，涡被挤入瓶内发生，由于苯14不溶于水，密度、粘度比水小，在水涡的扰动下，水涡将相当的涡能量传递给苯14，使苯14产生更大的涡；同理，烟气不溶于苯14，密度、粘度远小于苯14，在苯14涡的扰动下，苯14涡将相当的涡能量传递给烟气，使烟气产生更大的涡；随着锥形瓶4 向上横截面积不断变大，三层液、气体产生的涡不断变大，且层次分明。
进一步的，在步骤(3)中过程可同时通过配合使用水泵7和测速仪6调节水速，更换不同的圆柱套筒改变绕流物体的几何尺寸，进而改变实验中的雷诺数，探究不同雷诺数下的卡门涡街效应。
实施例1：
本实施例的用于演示卡门涡街效应的实验装置的操作方法为：根据实验要求，将10个锥形瓶4倒置连接在游标定位装置2各自横杆上，且各个锥形瓶4瓶口浸入水下3-5cm，通过控制第二开关13和烟雾气泵10向瓶内注入适量溶有偶氮红色颜料的苯14，通过气压泵9，吸走瓶内部分空气，减小瓶内气压，然后关闭瓶底接口的第一开关12和第二开关13；接着调整软管连接装置3以提升锥形瓶 4的高度，使瓶口浸入水下1-2cm，接着同时调节气压泵9和烟雾气泵10，以保持瓶内气压不变，并向瓶内泵入烟气。
本实施例中，游标定位装置2共有两根由钢条制成的纵杆，每根纵杆垂直上交叉连接有5根钢条制成的横杆，且每根横杆通过软管连接装置3固连有一个锥形瓶4，共有10个锥形瓶4(A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5)，其中A1、A3、A5、B1、B3和B5位置处的6个锥形瓶4作为涡的显示和放大装置，A2、A4、B2和B4位置处的锥形瓶4作为涡的间隔对照组。
实验时，不断移动游标定位装置2的位置，找到绕流物体后面的涡，然后分别将A1、A3、A5、B1、B3和B5号锥形瓶4移至此处，间隔放置对照组A2、A4、B2和B4号锥形瓶4，并记录该锥形瓶4对应的纵杆和横杆的刻度。
由于锥形瓶4瓶外气压大于瓶内气压，涡被挤入瓶内发生，由于苯14不溶于水，密度、粘度比水小，在水涡的扰动下，水涡将相当的涡能量传递给苯14，使苯14产生更大的涡。同理，烟气不溶于苯14，密度、粘度远小于苯14，在苯 14涡的扰动下，苯14涡将相当的涡能量传递给烟气，使烟气产生更大的涡。随着锥形瓶4横截面积向上不断变大，三层液、气体产生的涡不断变大，且层次分明。
关闭水泵77，取走圆柱体5(即指绕流体)，保持原水速和游标定位装置2 的刻度不变。可以发现，A1、A3、A5、B1、B3和B5号锥形瓶4处没有涡的产生。再次安装圆柱绕流体5，保持原水速和游标定位装置2的刻度不变，可发现 A1、A3、A5、B1、B3和B5号锥形瓶4有涡产生且被放大，而作为间隔对照组的A2、A4、B2和B4号锥形瓶4没有涡产生。
另外，当雷诺数在60～5×103范围内，才可观察到涡街。当雷诺数高于5×103时是完全的湍流尾流。记无量纲涡街频率数f*为：
f是涡从圆柱体5后脱落进入卡门涡街的频率，d是圆柱体5直径，U是来流速度。f*随雷诺数变化的曲线如图5所示。当雷诺数较高时，f*值近似为0.21，可一直较好的保持到Re＝2×105。当Re继续升高，规则的涡街不再存在。但在 Re>3×106时，涡街重新出现。
按上述方法，通过配合使用水泵7和测速仪6调节水速，更换不同尺寸的套筒改变绕流物体的几何尺寸，进而改变实验中的雷诺数，即可探究不同雷诺数下的卡门涡街效应。
通过上述实施例可以看出，本发明能够实现低雷诺数到高雷诺数范围内卡门涡街的形成规律；还考虑流体速度和绕流物体几何尺寸对雷诺数的影响；同时利用水产生的卡门涡街，将水涡能量传递给苯，继而传递给烟雾，产生的涡不断放大，可视化效果明显，即本发明的装置和操作方法能够突出放大了涡的实验现象，有放大的效果。
Claims (9)
1.一种用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：包括水槽，以及设置于水槽中的圆柱体、游标定位装置、测速仪和锥形瓶，所述水槽一侧外部设有水泵，所述圆柱体竖直立于水槽中靠近水泵的一端，圆柱体外周嵌套有套筒；所述测速仪安装于圆柱体与水泵之间；所述游标定位装置包括支撑杆、两个纵杆和对应的若干横杆，纵杆与横杆均与水槽底部相平行，支撑杆立于水槽中，纵杆通过腰型槽与支撑杆连接，且每个纵杆上均通过腰型槽垂直交叉连接有若干横杆，各个横杆上均通过腰型槽连接有软管，软管的另一端固定有倒置的锥形瓶；所述锥形瓶的瓶底对称开设有一组接口，两个接口上分别配有气压泵和烟雾气泵。
2.根据权利要求1所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：所述水槽整体呈长方体状，水泵安装于水槽上短边一侧外部，纵杆平行于水槽的长边，横杆平行于水槽的短边。
3.根据权利要求2所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：所述纵杆和横杆均由钢条制成，且纵杆和横杆的表面均设置有刻度，所述支撑杆与水槽底部固定相连。
4.根据权利要求1所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：每一个纵杆上得横杆的数量均至少大于5。
5.根据权利要求1所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：所述圆柱体底部设有螺纹，且螺纹部固定于水槽底板相应的螺纹孔；所述圆柱体与套筒上设有键槽，由平键实现套筒在圆柱体上的周向固定。
6.根据权利要求1所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：锥形瓶的两个接口上分别安装有第一开关和第二开关用于分别控制气压泵和烟雾气泵。
7.根据权利要求1所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置，其特征在于：所述水槽整体由亚克力玻璃制成，所述测速仪靠近圆柱；所述锥形瓶瓶口的直径大于涡的直径。
8.一种用于演示卡门涡街效应的实验装置的操作方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将锥形瓶倒置连接在游标定位装置上各个相应位置处，并将锥形瓶瓶口浸入水下3-5cm，通过烟雾气泵向瓶内注入适量溶有偶氮红色颜料的苯，通过气压泵吸走瓶内部分空气，减小瓶内气压，关闭瓶底接口相应开关，扭动软管提高锥形瓶使瓶口浸入水下1-2cm，同时调节气压泵和烟雾气泵，保持瓶内气压不变，向瓶内泵入烟气；
(2)将每一个纵杆上奇数位位置的各个锥形瓶作为涡的显示和放大装置，同时将相应偶数位位置的各个锥形瓶作为涡的间隔对照组；
(3)不断移动游标定位装置的位置，即是指横杆沿着纵杆进行纵向移动，软管沿着横杆进行横向移动，通过在水平四个方向的不断移动，找到绕流物体后面的涡；由于瓶外气压大于瓶内气压，涡被挤入瓶内发生，由于苯不溶于水，密度、粘度比水小，在水涡的扰动下，水涡将相当的涡能量传递给苯，使苯产生更大的涡；同理，烟气不溶于苯，密度、粘度远小于苯，在苯涡的扰动下，苯涡将相当的涡能量传递给烟气，使烟气产生更大的涡；随着锥形瓶向上横截面积不断变大，三层流体产生的涡不断变大，且层次分明。
9.根据权利要求8所述的用于演示卡门涡街效应的实验装置的操作方法，其特征在于：在步骤(3)中过程可同时通过配合使用水泵和测速仪调节水速，更换不同的圆柱套筒改变绕流物体的几何尺寸，进而改变实验中的雷诺数，探究不同雷诺数下的卡门涡街效应。
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2018
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