CN113077691A - 一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置 - Google Patents

一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，包括实验台、供水装置、绕流测量水箱、二分力传感器和若干测压管，绕流测量水箱放置在实验台上，二分力传感器安装在绕流测量水箱的底壁的中部，若干测压管分别直立安装在一固定箱内，固定箱的侧壁设置有直立的量尺，每根测压管的上端开口、下端分别连接有一根软管。该实验教学装置结构简单，可实现对绕流过程中待测物体所受作用力及待测物体各个测点的压强的检测，有助于认识实际流体绕流时物体表面的压强分布规律，使学生熟练掌握绕流理论知识和绕流阻力的求解方法、实验方法以及对绕流物体的周围流场、压力场和作用力的认知，并了解绕流形状阻力的产生机理，学会利用理论解决实际问题。

Description

一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置
技术领域
本发明涉及一种实验教学装置，具体是一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置。
背景技术
随着高等学校实验教学的不断改革，流体力学实验教学仪器应该不断更新换代，以适应新时期的流体力学实验教学模式。传统教学实验室中演示性、验证性和综合性实验仪器较多，缺少学生利用理论知识探索、分析和研究，得出结果的研究性实验以及实验仪器。研究性实验项目相较于验证性实验更能启发学生思考，提升学生依靠理论知识研究实际问题的能力，增强创新意识，是对现有实验内容和仪器的有效补充，因此实验室应该增加一些能理论知识联系实际应用案例的仪器。流体力学绕流实验是研究外流和形状阻力的典型案例，绕流现象在自然界与工程案例中十分常见，如研究圆柱、平板和机翼绕流问题的实验仪器，尽管演示性实验仪器可以演示绕流的流动现象，但这只是定性分析绕流现象，缺乏定量研究。对于绕流问题的详尽研究，像风洞实验仪器等科研设备当然是能实现的，但科研仪器造价十分昂贵，且构造庞大复杂，对于开展实验教学具有一定局限性，同时学生在有限的课时内难以完成相应的实验操作。
针对当前流体力学实验教学仪器多为演示性和验证性实验仪器，对于学生深入体会流体力学理论与实际联系不够到位，而开展能够与一些工程应用联系十分紧密的绕流问题研究的实验教学具有重要意义，本发明提出一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，该实验教学装置结构简单，可实现对绕流过程中待测物体所受作用力及待测物体各个测点的压强的检测，有助于认识实际流体绕流时物体表面的压强分布规律，使学生熟练掌握绕流理论知识和绕流阻力的求解方法，掌握实验方法以及对绕流物体的周围流场、压力场和作用力的认知，并了解绕流形状阻力的产生机理，学会利用理论解决实际问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，包括实验台、供水装置、绕流测量水箱、二分力传感器和若干测压管，所述的绕流测量水箱放置在所述的实验台上，所述的绕流测量水箱的入水口和出水口分别对称设置在其长度方向的两侧，所述的绕流测量水箱的入水口与所述的供水装置的出水口相连，所述的供水装置用于向所述的绕流测量水箱提供恒定水流，所述的二分力传感器安装在所述的绕流测量水箱的底壁的中部，所述的若干测压管分别直立安装在一固定箱内，所述的固定箱的侧壁设置有直立的量尺，每根所述的测压管的上端开口，每根所述的测压管的下端分别连接有一根软管，实验前，将待测物体加工为上端开口的筒状，再在筒状的待测物体的侧壁上开设若干通孔，使每根所述的软管的下端自筒状的待测物体的内侧紧密插设在一个所述的通孔内，并使筒状的待测物体置于所述的二分力传感器上。
实验过程中，供水装置向绕流测量水箱提供恒定水流，水流流过待测物体，产生绕流现象，水流流动的同时，水与待测物体之间有相对运动，因此水在流过待测物体时必然引起流速和压力变化，使水和待测物体之间产生相互作用力。若待测物体为对称结构，待测物体受到的作用力主要为平行于流体(水流)流动方向的作用力，即绕流阻力，该绕流阻力包括物体与流体之间的摩擦力以及由于边界层分离导致的形状阻力；若待测物体为非对称结构，则除了平行于流体流动方向的作用力外，待测物体还受到垂直于流体流动方向的作用力，即升力。通过二分力传感器可实现对绕流过程中待测物体所受作用力的检测(即绕流阻力和升力的同时检测)，将二分力传感器测得的数据与测压管测得的数据进行比对，可保证绕流实验数据的可靠性。
本发明实验教学装置，在待测物体上开设若干通孔作为测点，利用若干测压管分别测量各测点的压强。当待测物体周围有水流过时，水会通过各个测点处的通孔进入各根软管，并流入各根测压管，直至各根测压管内的液面不再上升，各根测压管内的液面高度表征的是待测物体各个测点的压强的大小，通过测得的各个测点的压强大小，可以得出待测物体周围的压强分布情况，结合绕流过程中待测物体所受绕流阻力和升力的检测，有助于认识实际流体绕流时物体表面的压强分布规律，使学生熟练掌握绕流理论知识和绕流阻力的求解方法，掌握实验方法以及对绕流物体的周围流场、压力场和作用力的认知，并了解绕流形状阻力的产生机理，学会利用理论解决实际问题。
优选地，所述的绕流测量水箱为上端开口的长方体水箱，所述的绕流测量水箱内直立安装有第一稳流板，所述的第一稳流板靠近所述的绕流测量水箱的入水口。绕流测量水箱采用上端开口的长方体水箱形式，从而绕流测量区域设计为明渠开敞水流，与传统流体力学实验大多采用的管道流和内流可形成互补，能够更好地模拟自然界中的绕流现象。
进一步地，所述的筒状的待测物体为圆筒状的待测物体，所述的绕流测量水箱的宽度值D与圆筒状的待测物体的外径值d满足关系式：D≥4d，所述的若干通孔沿圆筒状的待测物体的同一横截面的周向等间隔布设，以避免因待测物体尺寸过大影响绕流测量水箱的过流能力，保证实验结果的准确性。
更进一步地，所述的若干通孔的孔径均为2～3mm。
优选地，所述的筒状的待测物体为由透明有机玻璃制成的透明物体，所述的绕流测量水箱为由透明有机玻璃制成的透明水箱。由透明有机玻璃制成的待测物体表面十分光滑，在水中绕流的摩擦阻力可以忽略不计，便于确定绕流阻力。由透明有机玻璃制成的绕流测量水箱，便于实验过程中对绕流测量水箱内的情况进行直观地观察。
优选地，所述的筒状的待测物体通过螺栓固定或粘接固定在所述的二分力传感器的上侧。
优选地，所述的供水装置包括供水箱和上端开口的恒定流水箱，所述的恒定流水箱设置在所述的实验台上，所述的恒定流水箱内直立安装有溢流板和第二稳流板，所述的溢流板的高度小于所述的恒定流水箱的高度，所述的第二稳流板的高度与所述的恒定流水箱的高度相同，所述的第二稳流板靠近所述的恒定流水箱的出口一侧，所述的溢流板和所述的第二稳流板将所述的恒定流水箱的内腔分为依次设置的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述的供水箱设置在所述的恒定流水箱的下方，所述的供水箱内安装有潜水泵，所述的潜水泵的启闭由安装在所述的实验台上的水泵开关控制，所述的第一腔体经第一水管与所述的供水箱相连，所述的潜水泵经第二水管与所述的第二腔体相连，所述的第三腔体经第三水管与所述的绕流测量水箱的入水口相连，所述的第三水管上安装有第一阀门，所述的绕流测量水箱的出水口连接有第四水管，所述的第四水管的出口位于一回水槽的上方，所述的第四水管上安装有第二阀门，所述的回水槽设置在所述的实验台的侧面，所述的回水槽经第五水管与所述的供水箱相连。上述供水装置可实现实验过程中装置的自循环供水，并有效保证向绕流测量水箱持续提供恒定水流。实验前，待测物体准备就位后，关闭第一阀门和第二阀门，先在供水箱内注入适量自来水，即可开始实验，先打开水泵开关，开启供水箱内的潜水泵，通过潜水泵使供水箱内的水通过第二水管供入恒定流水箱，恒定流水箱内的水位逐渐升高，直至水从溢流板顶端溢流并流入第一腔体内；溢流后，恒定流水箱内的水位稳定，在第二稳流板的作用下来自供水箱的水趋于稳定，打开第一阀门和第二阀门，水流从第三腔体流入第三水管并进入绕流测量水箱，经第一稳流板作用后趋于稳定地流过待测物体，产生绕流现象，然后水自绕流测量水箱的出水口流入第四水管，进入回水槽，最终通过第五水管流回供水箱，形成自循环供水。第一阀门用以控制进入绕流测量水箱的水的流量；通过调节第二阀门的开度，可以调节绕流测量水箱的出水流量，进而改变绕流测量水箱内的水深，实现不同水深下的绕流实验。
进一步地，所述的绕流测量水箱的底部安装有调平支脚。通过调平支脚可调节绕流测量水箱的姿态，使绕流测量水箱能够保持水平地放置在实验台上。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明用于研究物体绕流问题的实验教学装置结构简单，通过二分力传感器可实现对绕流过程中待测物体所受作用力的检测，通过若干测压管可实现对待测物体各个测点的压强的检测，从而得出待测物体周围的压强分布情况，结合绕流过程中待测物体所受绕流阻力和升力的检测，有助于认识实际流体绕流时物体表面的压强分布规律，使学生熟练掌握绕流理论知识和绕流阻力的求解方法，掌握实验方法以及对绕流物体的周围流场、压力场和作用力的认知，并了解绕流形状阻力的产生机理，学会利用理论解决实际问题。
附图说明
图1为实施例1中实验教学装置的结构纵剖示意图；
图2为实施例1中绕流测量水箱与待测物体和二分力传感器的连接示意图；
图3为实施例1中圆柱物体绕流示意图；
图4为实施例2中流线型物体绕流示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的用于研究物体绕流问题的实验教学装置，如图1所示，包括实验台1、供水装置3、绕流测量水箱2、二分力传感器21和20根测压管22，绕流测量水箱2放置在实验台1上，绕流测量水箱2的底部安装有调平支脚23，绕流测量水箱2的入水口和出水口分别对称设置在其长度方向的两侧，绕流测量水箱2的入水口与供水装置3的出水口相连，供水装置3用于向绕流测量水箱2提供恒定水流，二分力传感器21安装在绕流测量水箱2的底壁的中部，20根测压管22分别直立安装在一固定箱24内，固定箱24的侧壁设置有直立的量尺25，每根测压管22的上端开口，每根测压管22的下端分别连接有一根软管26，实验前，将待测物体4加工为上端开口的圆筒状(外形即为圆柱状)，再在圆筒状的待测物体4的侧壁上开设20个通孔41，使每根软管26的下端自圆筒状的待测物体4的内侧紧密插设在一个通孔41内，并使圆筒状的待测物体4通过螺栓42固定在二分力传感器21的上侧，如图2所示。
实施例1中，圆筒状的待测物体4由透明有机玻璃制成，绕流测量水箱2为由透明有机玻璃制成的、上端开口的长方体透明水箱，绕流测量水箱2内直立安装有第一稳流板27，第一稳流板27靠近绕流测量水箱2的入水口。
实施例1中，绕流测量水箱2的宽度值D与圆筒状的待测物体4的外径值d满足关系式：D≥4d，20个通孔41沿圆筒状的待测物体4的同一横截面的周向等间隔布设，20个通孔41的孔径均为2.5mm。
实施例1中，供水装置3包括供水箱31和上端开口的恒定流水箱32，恒定流水箱32设置在实验台1上，恒定流水箱32内直立安装有溢流板33和第二稳流板34，溢流板33的高度小于恒定流水箱32的高度，第二稳流板34的高度与恒定流水箱32的高度相同，第二稳流板34靠近恒定流水箱32的出口一侧，溢流板33和第二稳流板34将恒定流水箱32的内腔分为依次设置的第一腔体35、第二腔体36和第三腔体37，供水箱31设置在恒定流水箱32的下方，供水箱31内安装有潜水泵38，潜水泵38的启闭由安装在实验台1上的水泵开关39控制，第一腔体35经第一水管51与供水箱31相连，潜水泵38经第二水管52与第二腔体36相连，第三腔体37经第三水管53与绕流测量水箱2的入水口相连，第三水管53上安装有第一阀门56，绕流测量水箱2的出水口连接有第四水管54，第四水管54的出口位于一回水槽58的上方，第四水管54上安装有第二阀门57，回水槽58设置在实验台1的侧面，回水槽58经第五水管55与供水箱31相连。
实验前，待测物体4准备就位后，关闭第一阀门56和第二阀门57，先在供水箱31内注入适量自来水，即可开始实验，先打开水泵开关39，开启供水箱31内的潜水泵38，通过潜水泵38使供水箱31内的水通过第二水管52供入恒定流水箱32，恒定流水箱32内的水位逐渐升高，直至水从溢流板33顶端溢流并流入第一腔体35内；溢流后，恒定流水箱32内的水位稳定，在第二稳流板34的作用下来自供水箱31的水趋于稳定，打开第一阀门56和第二阀门57，水流从第三腔体37流入第三水管53并进入绕流测量水箱2，经第一稳流板27作用后趋于稳定地流过待测物体4，产生绕流现象，然后水自绕流测量水箱2的出水口流入第四水管54，进入回水槽58，最终通过第五水管55流回供水箱31，形成自循环供水。第一阀门56用以控制进入绕流测量水箱2的水的流量；通过调节第二阀门57的开度，可以调节绕流测量水箱2的出水流量，进而改变绕流测量水箱2内的水深，实现不同水深下的绕流实验。
利用实施例1的实验教学装置及圆筒状的待测物体4可以验证对于无环量圆柱绕流的流速和压强分布规律。对于理想流体，当流速V较小，雷诺数Re≤1时，流速及压强分布具有对称性，如图3所示，圆柱面不承受合力，前驻点A和后驻点B的流速等于零，而压强最大。但实际流体绕圆柱流动时，由于粘性影响压强分布前后不对称，特别当Re达到一定值时，在圆柱表面会发生边界层分离，形成尾流，从分离点开始圆柱后面的压强接近分离点压强，破坏了前后压强分布对称性，但前驻点A的流速始终为零，压强最大。同时根据伯努利方程理论知识也可知道上顶点C和下顶点D的流速最大，压强最小。
若对圆筒状的待测物体4界面上各个测点的压力进行矢量求和便可计算出该待测物体4在水中绕流的形状阻力，对于圆柱绕流，其摩擦阻力与形状阻力相比很小，加之待测物体4表面经光滑处理，因此待测物体4在水中绕流的摩擦阻力可以忽略不计，待测物体4在水中绕流的形状阻力近似等于绕流阻力。
待测物体4在水中的绕流阻力还可通过二分力传感器21来测量，二分力传感器21可同时测量绕流阻力和升力，将二分力传感器21测得的数据与测压管22测得的数据进行比对，可保证绕流实验数据的可靠性。利用二分力传感器21测量绕流阻力时，需在实验前，即待测物体4周围无水流过时，先对二分力传感器21的测量数据进行零点校正。
为了深入探究绕流时形状阻力的产生机理，本实验教学装置还可用于流线型绕流物体模型的绕流实验。实施例2：与实施例1中圆筒状的待测物体一样，分析测量不同形状物体的绕流阻力，形成对比实验。实施例2与实施例1的区别仅在于所用绕流物体的横截面形状不同。图4为实施例2中流线型绕流物体模型6的绕流示意图，该流线型绕流物体模型6同样采用透明有机玻璃制作为筒状，其宽度与待测物体4的直径相同，实现两种物体绕流时迎来流面积相同，其侧壁上也等间隔开设20个通孔。
以上图1、3、4中箭头所示为液流方向。
本发明实验教学装置可以验证绕流阻力的理论计算公式，加深学生对于绕流理论的理解和掌握。根据绕流阻力计算公式来计算绕流物体受到阻力的理论值，并将理论值与测压管、传感器测量结果以及软件数值模拟结果进行比较分析。体现了依靠理论知识、实验测量和仿真模拟相结合方法解决实际问题的实验教学思想。
以实施例1为例，对于该实验中圆柱绕流问题，其绕流阻力主要是形状阻力，根据理想流体的二维无环量圆柱绕流理论，圆柱表面任一点的速度可表示为：
Vr＝0，Vθ＝2V∞sinθ (1)
式中Vr为流体在圆柱表面径向的速度分量，Vθ为流体在圆柱表面的切向速度分量，V∞为远端来流速度。圆柱表面任一点的压强P与来流压强P∞的关系满足伯努利方程，有
Figure BDA0002967478150000061
式中ρ为流体密度。若以压强系数Cp表示流体的压强分布，则有
Figure BDA0002967478150000071
对于理想流体的圆柱绕流，则有
Cp＝1-4sin2θ (4)
式(4)表明理想流体的圆柱绕流压强分布沿圆柱表面前后对称，压强合力为零。而理想流体是不存在的，绕流物体必然受到绕流阻力，由于该实验中圆柱绕流阻力主要为形状阻力，所以绕流阻力FD为
Figure BDA0002967478150000072
式中CD为绕流阻力系数，A为圆柱迎着流体来流的特征面积，D为圆柱直径，H为圆柱在流体中浸没深度。求解绕流阻力关键在于求解CD，求解CD需先计算Cp，Cp由公式(3)确定，实验中可利用测压管测计P-P∞和
Figure BDA0002967478150000073
P-P∞＝ρg(h-h∞) (6)
Figure BDA0002967478150000074
式中h为测点静压水头(测压管测定)，h∞为来流的静压水头(测压管测定)，h0为来流的总水头，k为压强测量装置的修正因数，所以Cp可表示为
Figure BDA0002967478150000075
测定Cp后代入式(5)可求出绕流阻力FD。

Claims (8)

1.一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，包括实验台、供水装置、绕流测量水箱、二分力传感器和若干测压管，所述的绕流测量水箱放置在所述的实验台上，所述的绕流测量水箱的入水口和出水口分别对称设置在其长度方向的两侧，所述的绕流测量水箱的入水口与所述的供水装置的出水口相连，所述的供水装置用于向所述的绕流测量水箱提供恒定水流，所述的二分力传感器安装在所述的绕流测量水箱的底壁的中部，所述的若干测压管分别直立安装在一固定箱内，所述的固定箱的侧壁设置有直立的量尺，每根所述的测压管的上端开口，每根所述的测压管的下端分别连接有一根软管，实验前，将待测物体加工为上端开口的筒状，再在筒状的待测物体的侧壁上开设若干通孔，使每根所述的软管的下端自筒状的待测物体的内侧紧密插设在一个所述的通孔内，并使筒状的待测物体置于所述的二分力传感器上。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的绕流测量水箱为上端开口的长方体水箱，所述的绕流测量水箱内直立安装有第一稳流板，所述的第一稳流板靠近所述的绕流测量水箱的入水口。
3.根据权利要求2所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的筒状的待测物体为圆筒状的待测物体，所述的绕流测量水箱的宽度值D与圆筒状的待测物体的外径值d满足关系式：D≥4d，所述的若干通孔沿圆筒状的待测物体的同一横截面的周向等间隔布设。
4.根据权利要求3所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的若干通孔的孔径均为2～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的筒状的待测物体为由透明有机玻璃制成的透明物体，所述的绕流测量水箱为由透明有机玻璃制成的透明水箱。
6.根据权利要求1所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的筒状的待测物体通过螺栓固定或粘接固定在所述的二分力传感器的上侧。
7.根据权利要求1所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的供水装置包括供水箱和上端开口的恒定流水箱，所述的恒定流水箱设置在所述的实验台上，所述的恒定流水箱内直立安装有溢流板和第二稳流板，所述的溢流板的高度小于所述的恒定流水箱的高度，所述的第二稳流板的高度与所述的恒定流水箱的高度相同，所述的第二稳流板靠近所述的恒定流水箱的出口一侧，所述的溢流板和所述的第二稳流板将所述的恒定流水箱的内腔分为依次设置的第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述的供水箱设置在所述的恒定流水箱的下方，所述的供水箱内安装有潜水泵，所述的潜水泵的启闭由安装在所述的实验台上的水泵开关控制，所述的第一腔体经第一水管与所述的供水箱相连，所述的潜水泵经第二水管与所述的第二腔体相连，所述的第三腔体经第三水管与所述的绕流测量水箱的入水口相连，所述的第三水管上安装有第一阀门，所述的绕流测量水箱的出水口连接有第四水管，所述的第四水管的出口位于一回水槽的上方，所述的第四水管上安装有第二阀门，所述的回水槽设置在所述的实验台的侧面，所述的回水槽经第五水管与所述的供水箱相连。
8.根据权利要求7所述的一种用于研究物体绕流问题的实验教学装置，其特征在于，所述的绕流测量水箱的底部安装有调平支脚。
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