CN109883886B - 一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置。其包括流体循环装置、连续运动平板装置，流体循环装置包括实验槽、循环轴流泵，实验槽包括实验段、对应设于实验段下部的扩散段、收缩段、拐角段A、拐角段B，实验段的上部开口，扩散段的截面沿其长度方向渐缩，收缩段的大口端密封连接实验段的出口端，拐角段A是U形管，U形管的两端口分别与实验段的进口端和扩散段的大口端密封连接，循环轴流泵的吸入口与收缩段的小口端密封连接，循环轴流泵的排出口通过拐角段B与扩散段的小口端密封连接，拐角段A的两个拐角处分别设有导向叶片；连续运动平板装置包括水平设置的皮带机构、用于驱动皮带机构的调速电机，皮带机构位于实验槽的实验段内。

Description

一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，具体是一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，是一种用于研究幂律流体中连续移动平板边界层特性的实验装置。

背景技术

连续移动平板边界层问题广泛存在于工程实际中，普朗特边界层理论更是有力推动了科学技术的发展，上世纪六十年代就已经有学者提出了移动表面边界层的概念，经过大量研究人员多年不懈努力，关于幂律流体槽内连续运动平板边界层的理论研究取得了进一步发展，然而对于这一问题的解决仍然缺乏合理、可靠的实验装置进行验证。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适用于研究幂律流体中连续移动平板边界层特性研究的实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：包括用于提供稳定流速流体的流体循环装置、用于提供不同的平板速度的连续运动平板装置，所述流体循环装置包括透明的实验槽、循环轴流泵，所述实验槽包括水平布置的矩形管状的实验段、对应设于实验段下部的扩散段、收缩段、拐角段A、拐角段B，所述实验段的上部开口，所述扩散段的截面为矩形并且其截面面积沿其长度方向渐缩，所述收缩段为喇叭口状，其大口端密封连接实验段的出口端，所述拐角段A是截面为矩形的U形管，所述U形管的两端口分别与实验段的进口端和扩散段的大口端密封连接，所述循环轴流泵的吸入口与所述收缩段的小口端密封连接，所述循环轴流泵的排出口通过拐角段B与所述扩散段的小口端密封连接，所述拐角段A的两个拐角处分别设有导向叶片；所述连续运动平板装置包括水平设置的皮带机构、用于驱动所述皮带机构的皮带水平运动的调速电机，所述皮带机构位于所述实验槽的实验段内。

本发明中，循环轴流泵输出的流体流经扩散段后，经设置在拐角段A中的导向叶片整流后进入实验槽的实验段，循环轴流泵不断运转，在实验槽内形成流速稳定均匀的流体流，其中，所设置的导向叶片用于稳定进口来流和平顺实验槽进口流态，使得实验段的水流更加平稳、均匀。实验段的上面开口可形成自由水面，由于自由水面可以任意变动不受壁面的限制，自由水面可以由于边界层位移厚度的增加而抬高。皮带机构的皮带在调速电机的驱动下可以在实验槽内水平运动，作为连续移动的平板，皮带的速度由变速电机控制，可以实现具有不同的平板速度比例参数下的流场长度。为便于观察，所述实验槽由有机玻璃制成。

进一步的，所述皮带机构通过与其连接的支撑架支撑在所述实验槽内，所述支撑架包括有两根调节螺杆和一倒L形的支撑架，所述支撑架竖向的一端固定在实验槽外侧的支架上，其横向的一端位于实验槽的上方，两根调节螺杆均一端与皮带机构连接，另一端通过螺纹与所述支撑架的横向的一端连接。该结构形式能够满足皮带机构上下位置调节需求，通过调整调节螺杆可带动皮带机构实现上下移动，从而改变皮带机构在实验槽内的上下位置，可满足不同的实验需求，且调节方便。

进一步的，为便于安装，所述实验槽的各段之间通过法兰连接。

进一步的，所述导向叶片为圆弧形结构，所述拐角段A的两个拐角处各设有三个等间距布置并与拐角处的实验槽的槽壁平行的所述导向叶片。通过在拐角段A的两个拐角处各设置三个导向叶片，可以引导流体流向，改善流体流型，使得实验流体可以在不同平板速度的情况下流速都趋于稳定状态，满足流场均匀性；等间距排布的叶片不仅能有效避免涡流，减少能量损失，还可以大幅降低噪声，保证良好的实验环境；导向叶片采用与实验槽拐角处的槽壁平行布置的形式会大大减少拐角处由于流体冲击带来的管道损坏。

进一步的，为了均匀流体流速，提供用于实验的稳定流动流体，和为了均衡流体压力，避免管道冲击，及为了降低管道阻力损失，优选所述实验槽的扩散段的长度为1-1.1m，扩散段的大口端与小口端的缩口比例为：4～5:1。

进一步的，为了减小流体湍流强度，保证流场均匀性及保证流体具有良好的平稳性，优选所述实验槽的收缩段的长度为0.15-0.2，收缩段的大口端与小口端的缩口比例为：2～3:1。

进一步的，为了保证实验段的流体的平稳性及减少损耗，优选所述实验槽的拐角段A的高度为0.25m，长度为0.5-0.6m。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，其完全能够满足幂律流体中连续移动平板边界层特性研究的实验要求。其中，流体循环装置所提供的实验来流，性能稳定、速度均匀，完全可以满足实验要求，通过设置导向叶片改善了流体流型，使实验流体流动更加稳定，满足流场均匀性，且实验装置既便于实验观察又节能；连续运动平板装置所提供的连续运动平板速度可调，可以实现具有不同的平板速度比例参数下的流场；此外，皮带机构在实验槽内的上下位置可调，可满足不同的实验需求，提高了实验装置的效率。总之，本发明的试验装置能够完全满足幂律流体中连续移动平板边界层特性研究的实验要求，能够提高实验参数的准确性。

附图说明

图1是本发明的主视示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图中1、实验槽，2、循环轴流泵，3、实验段，4、支架，5、皮带机构，6、调节螺杆，7、支撑杆，8、收缩段，9、拐角段B，10、木制支架，11、扩散段，12、拐角段A，13、导向叶片，14、变速电机。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：

如附图所示，一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其包括用于提供稳定流速流体的流体循环装置、用于提供不同的平板速度的连续运动平板装置。所述流体循环装置包括透明的实验槽1、循环轴流泵2，实验槽1由透明的有机玻璃制成，所述实验槽1包括水平布置的矩形管状的实验段3、对应设于实验段3下部的扩散段11、收缩段8、拐角段A12、拐角段B9。其中，所述实验段3的长度为1.5m、宽度为0.25m、高度为0.2m，实验段3的上部开口，所述扩散段11为渐缩管，其截面为矩形并且其截面面积沿其长度方向渐缩，所述收缩段8为喇叭口状，其大口端密封连接实验段3的出口端，所述拐角段A12是截面为矩形的U形管，U形管的两端口分别与实验段3的进口端和扩散段11的大口端密封连接。所述循环轴流泵2的吸入口与所述收缩段8的小口端密封连接，所述循环轴流泵2的排出口通过拐角段B9与所述扩散段11的小口端密封连接。所述拐角段A12的两个拐角处分别设有导向叶片13。实验槽1的各段之间采用法兰连接，法兰盘之间采用聚氨酯橡胶密封，实验槽1采用木制支架10支撑。所述连续运动平板装置包括水平设置的皮带机构5、用于驱动所述皮带机构5的皮带水平运动的调速电机14，所述皮带机构5位于所述实验槽1的实验段3内，皮带机构5为现有技术，皮带机构5包括中间的支撑结构、设置在支撑结构两端的皮带轮，位于外侧的薄皮带。调速电机14固定在位于实验槽1外部的支架4上。

本实施例中，皮带机构5是通过与其连接的支撑架支撑在所述实验槽1内，所述支撑架包括有两根调节螺杆6和一倒L形的支撑杆7，所述支撑杆7竖向的一端固定在支架4上，其横向的一端位于实验槽1的上方，两根调节螺杆6均一端与皮带机构5连接，另一端通过螺纹与所述支撑杆7的横向的一端连接。通过两根调节螺杆将皮带机构5与支撑杆7固定在一起，同时通过两根调节螺杆6可以对皮带机构的上下位置进行调节。

本实施例中，导向叶片13为圆弧形结构，在拐角段A12的两个拐角处各设有三个等间距布置并与拐角处的实验槽的槽壁平行的导向叶片13。通过在拐角段A12的两个拐角处各设置三片导向叶片，可以引导流体流向，改善流体流型，使得实验流体可以在不同平板速度的情况下流速都趋于稳定状态，满足流场均匀性；拐角处等间距排布的导向叶片不仅能有效避免涡流，减少能量损失，还可以大幅降低噪声，保证良好的实验环境；导向叶片采用与拐角处的实验槽的槽壁平行布置的形式会大大减少拐角处由于流体冲击带来的管道损坏。需要注意的是，虽然通过设置导向叶片可以改善流体流型，但是导向叶片数量过多很容易导致局部阻力损失增大，引起流场不稳定，影响实验效果。

本实验装置中，经管道收缩作用流体流速增大，进一步由轴流泵加压成为高压高速流体。实验槽的扩散段不仅能够均匀流体流速，提供用于实验的稳定流动流体，还可均衡流体压力，避免管道冲击。并且，扩散管段能够相应降低管道阻力损失，减少能量消耗。因此扩散段的设计对于获得稳定均匀的实验流体非常重要。受造价及室内空间限制，扩散段不宜过长，考虑到扩散作用的影响，优选扩散段1的长度为1-1.1m，扩散段11的大口端与小口端的缩口比例为：4～5:1。

本实验装置中，流体由实验段进入收缩段后，速度和压力经管道收缩作用得以改变。流体被加速到满足实验要求速度的同时其湍流强度也有一定程度减小，进一步保证了流场均匀性，可提高实验效率。另外被加速流体的压力相应降低，流体冲击性减弱，实验环境得到保障。收缩段越短，收缩作用时间也就越短；收缩比例越大，收缩作用也就越强烈。实验过程不仅要求流体连续运动还要保证流体具有良好的平稳性，因此合适的收缩长度及比例对于满足实验要求是非常重要的。为了满足实验要求，保证实验准确性，优选所述实验槽1的收缩段8的长度为0.15-0.2，收缩段8的大口端与小口端的缩口比例为：2～3:1。为了保证实验段的流体的平稳性及减少损耗，优选所述实验槽1的拐角段A12的高度为0.25m，长度为0.5-0.6m。

本实施例中的其它部分采用已知技术，在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：包括用于提供稳定流速流体的流体循环装置、用于提供不同的平板速度的连续运动平板装置，所述流体循环装置包括透明的实验槽(1)、循环轴流泵(2)，所述实验槽(1)包括水平布置的矩形管状的实验段(3)、对应设于实验段(3)下部的扩散段(11)、收缩段(8)、拐角段A(12)、拐角段B(9)，所述实验段(3)的上部开口，所述扩散段(11)的截面为矩形并且其截面面积沿其长度方向渐缩，所述收缩段(8)为喇叭口状，其大口端密封连接实验段(3)的出口端，所述拐角段A(12)是截面为矩形的U形管，所述U形管的两端口分别与实验段(3)的进口端和扩散段(11)的大口端密封连接，所述循环轴流泵(2)的吸入口与所述收缩段(8)的小口端密封连接，所述循环轴流泵(2)的排出口通过拐角段B(9)与所述扩散段(11)的小口端密封连接，所述拐角段A(12)的两个拐角处分别设有导向叶片(13)；所述连续运动平板装置包括水平设置的皮带机构、用于驱动所述皮带机构的皮带水平运动的调速电机(14)，所述皮带机构位于所述实验槽(1)的实验段(3)内；所述皮带机构通过与其连接的支撑架支撑在所述实验槽(1)内，所述支撑架包括有两根调节螺杆(6)和一倒L形的支撑杆(7)，所述支撑杆(7)竖向的一端固定在实验槽(1)外侧的支架(4)上，其横向的一端位于实验槽(1)的上方，两根调节螺杆(6)均一端与皮带机构连接，另一端通过螺纹与所述支撑杆(7)的横向的一端连接。

2.根据权利要求1所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述实验槽(1)由有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述实验槽(1)的各段之间通过法兰连接。

4.根据权利要求1所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述导向叶片(13)为圆弧形结构，所述拐角段A(12)的两个拐角处各设有三个等间距布置并与拐角处的实验槽的槽壁平行的所述导向叶片(13)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述实验槽(1)的扩散段(11)的长度为1-1.1m，扩散段(11)的大口端与小口端的缩口比例为：4～5:1。

6.根据权利要求5所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述实验槽(1)的收缩段(8)的长度为0.15-0.2，收缩段(8)的大口端与小口端的缩口比例为：2～3:1。

7.根据权利要求6所述的幂律流体槽内连续运动平板边界层实验装置，其特征是：所述实验槽(1)的拐角段A(12)的高度为0.25m，长度为0.5-0.6m。