2.3 实验指导

各实验仪演示内容及实验指导提要如下。

1.SL-1型流动显示仪

用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、水流通过孔板时的流态、壁面冲击、直角弯道、整流栅的不同放置等平面上的流动现象，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩散段可以看到由边界层分离而形成的漩涡，在靠近上游喉颈处，流速越大，漩涡尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，水流无分离，流线均匀收缩，无漩涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。所以在工程设计中，一般取逐渐收缩的喇叭形取水口，这是因为喇叭形取水口更符合流线形的要求，水头损失小。

在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，孔板后的水流并不是马上扩散，而是继续收缩至一最小断面，称为收缩断面。在收缩断面以前，只在拐角处和收缩断面后的出口附近有小漩涡出现。在收缩断面后，水流才开始扩散。扩散后的水流犹如突然扩大一样，在主流区周围形成强烈的漩涡回流区。由此可知，孔板流量计有较大的水头损失。

对比整流栅的不同放置可以看出，不管整流栅怎样放置，在整流栅的前部漩涡较小，在整流栅的后部漩涡较大，说明整流栅的后部水头损失大于前部。

通过流量调节可以看出，漩涡的大小和紊动强度与流速有关。当流量减小时，渐扩段流速减小，其紊动强度也减小，这时看到在整个渐扩段有明显的单个大尺度漩涡；反之当流量增大时，单个大尺度漩涡随之破碎，并形成无数个小尺度的漩涡，流速越高，漩涡尺度越小，紊动强度越大。在孔板后的突扩段，也可看到漩涡尺度随流速变化的情况。据此清楚地表明：漩涡尺度随紊动强度增大而变小，水质点间的内摩擦加强，水头损失增大。

2.SL-2型流动显示仪

显示文丘里流量计、圆弧进口管嘴流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。

由显示可见，文丘里流量计过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和漩涡产生。圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和漩涡产生。

将文丘里流量计、圆弧进口管嘴流量计和SL-1型流动显示仪上的孔板流量计相对比，可以了解三种流量计的结构、优缺点及其用途。文丘里流量计由于水头损失小而广泛地应用于工业管道上测量流量。圆弧形管嘴出流的流量系数（约为0.98）大于直角形管嘴出流的流量系数（约为0.82），说明圆弧形管嘴进口流线顺畅，水头损失小。孔板流量计结构简单，测量精度高，但缺点是水头损失很大，优点是可利用孔板消能，例如黄河小浪底水电站，在有压隧洞中设置了五道孔板式消能工，其消能机理就是利用了孔板水头损失大的原理，使泄洪的余能在隧洞中消耗，从而解决了泄洪洞口缺乏消能条件的工程问题。

3.SL-3型流动显示仪

显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯道、45°弯头、闸阀、蝶阀以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。

由显示可见，在每一转弯的后面，都因为边界条件的改变而产生边界层的分离，从而产生了漩涡。转弯角度不同，漩涡大小、形状各异，水头损失也不一样。在直角弯道和水流冲击的壁面段，有多处漩涡出现。在圆弧转弯段，由于受离心力的影响，凹面离心力较大，流线较顺畅，漩涡较小，凸面流线脱离边壁形成回流，漩涡较大。该流动还显示了局部水头损失叠加影响的图谱。

闸阀半开时，尾部漩涡区较大，水头损失也较大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，在蝶阀的尾部产生尾涡区，水流剧烈的紊动，表明蝶阀半开时阻力大且易引起振动。蝶阀通常作检修用，故只允许全开或全关。

在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的液体，形成射流的紊动扩散。和自由射流不同的是，非自由射流离开喷口后在出口形成两个较大的漩涡，产生强烈的紊动，使射流向外扩散。在漩涡的两侧由于边壁的影响，可以看到射流的“附壁效应”现象。此“附壁效应”对壁面的稳定性有着重要的作用。若把喷口后的中间导流杆当作天然河道里的一侧河岸，则由水流的附壁效应可以看出，主流沿河岸高速流动，该河岸受到水流的严重冲刷；而在主流的外侧，水流产生高速回旋，使另一侧河岸也受到局部淘刷；在喷口附近的回流死角处，因为流速小，紊动强度小，则可能出现泥沙的淤积。

另外从弯道水流观察分析可知，在急变流段测压管水头不按静水压强的规律分布，其原因：①离心惯性力的作用，②流速分布不均匀（外侧大，内侧小并产生回流）。

4.SL-4型流动显示仪

显示转弯、分流、合流、45°弯头、YF溢流阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF溢流阀固定，为全开状态。

由显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的漩涡出现。合流漩涡较为典型，明显干扰主流，使主流受阻。

YF溢流阀是压力控制元件，广泛用于液压传动系统。其主要作用是防止液压系统过载，保护泵和油路系统的安全，以及保持油路系统的压力恒定。

YF溢流阀的流动介质通常是油，本装置的流动介质是水。该装置能十分清晰地显示阀门前后的流动形态：高速流体经过阀口出口后，在阀芯的大反弧段发生边界层的分离，出现一圈漩涡带；在射流与阀芯的出口处也产生较大的漩涡环带。在阀后，尾迹区大而复杂，并有随机的卡门涡街（后面有详细叙述）产生。经阀芯流出的流体也在尾部区产生不规则的左右扰动，调节过流量，漩涡的形态仍然不变。

该阀门在工作中，由于漩涡带的存在，必然会产生较激烈的振动，尤其是阀芯反弧段上的漩涡带，影响更大。由于高速紊动流体的随机脉动，必然要引起漩涡区压力的脉动，这一脉动压力直接作用在阀芯上，引起阀芯的振动，而阀芯的振动又作用于流体的脉动和漩涡区的压力脉动，因而引起阀芯的更激烈的振动。显然这是一个很重要的振源，而且这一漩涡带还可能引起阀芯的空蚀破坏。

5.SL-5型流动显示仪

显示明渠逐渐扩散、桥墩型钝体绕流、机翼体绕流、直角弯道和正、反机翼体绕流等流段上的流动图谱。

桥墩形柱体绕流。该绕流体为圆头方尾的钝形体，水流脱离桥墩后，在桥墩的后部形成尾流漩涡区，在尾流区两侧产生旋向相反且不断交替的漩涡，即卡门涡街。与SL-6型圆柱绕流体不同的是，圆柱绕流体的涡街频率f在雷诺数Re不变时它也不变；而非圆柱绕流体则不同，涡街的频率具有明显的随机性，即使Re不变频率f也随机变化。

绕流体后的卡门涡街会引起绕流体的振动，绕流体的振动问题有可能引起建筑物的破坏，该问题是工程上极为关心的问题。解决绕流体振动问题的主要措施有：改变水流的速度；或者改变绕流体的自振频率；或者改变绕流体的结构形式，以破坏涡街的固定频率，避免共振。

机翼绕流。当水流通过机翼时，在机翼的凸面，流线较顺畅；在机翼的凹面，主流与壁面之间形成一回流区。在机翼的尾部发生边界层的分离，形成尾流区。对比正放、反放机翼绕流体的流动可见，当绕流体倒置时，在其尾部同样会出现卡门涡街。

6.SL-6型流动显示仪

显示明渠逐渐扩散、单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。

在该流动装置上可以清楚地显示流体在驻点的停滞现象、边界层分离状况、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合漩涡等流谱。

（1）驻点。观察流经圆柱前端驻点处的小气泡，可以看出，流动在驻点上明显停滞，可见驻点处的流速等于零，在此处，动能完全转换为压能。

（2）边界层分离。水流在驻点受阻后，被迫向两边流动，此时水流的流速逐渐增大，压强逐渐减小，当水流流经圆柱的轴线时，流速达到最大，压强达到最小；当水流继续向下游流动时，在靠近圆柱体尾部的边界上，水流开始与圆柱体分离，称为边界层的分离。边界层分离后，在分离区的下游形成回流区，称为尾涡区。尾涡区的长度和紊动强度与来流的雷诺数有关，雷诺数越大，紊动越强烈。

边界层分离常伴随着漩涡的产生，引起较大的能量损失，增加液流的阻力。边界层分离后还会产生局部低压，以至于有可能出现空化和空蚀破坏现象。因此边界层分离是一个很重要的现象。

（3）卡门涡街。边界层分离以后，如果雷诺数增加到某一数值，就不断交替的在两侧产生漩涡并流向下游，形成尾流中的两条涡列，一列中某一漩涡的中心恰好对着另外一列中两个漩涡之间的中点，尾流中这样的两列漩涡称作“涡街”，也叫冯卡门（Von karman）“涡街”。漩涡的能量由于流体的黏性而逐渐消耗掉，因此在柱体后面一个相当长距离以后，漩涡就逐渐衰减而终于消失了。

对卡门涡街的研究，在工程中有着重要的意义。卡门涡街可以使柱体产生一定频率的横向振动。若该频率接近柱体的自振频率，就可能产生共振。例如在大风中电线发出的响声就是由于振动频率接近电线的自振频率，产生共振现象而发出的。潜艇在行进中，潜望镜会发生振动；高层建筑（高烟囱等）、悬索桥等在大风中会发生振动，其原因就是卡门涡街造成的。为此在设计中应该考虑这种现象的破坏性，采取措施加以消除或减小。

卡门涡街的频率与管流的过流量有关。可以利用卡门涡街频率与流量之间的关系，制成涡街流量计。其方法是在管路中安装一漩涡发生器和检测元件，通过检测漩涡的信号频率，根据频率和流量的关系就可测出管道的流量。

（4）多圆柱绕流。被广泛用于热工传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等。流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的漩涡则起混掺作用，然后流经下一柱体时，再交换再混掺，换热效果较佳。另外，对于高层建筑群，也有类似的流动图像，即当高层建筑群承受大风袭击时，建筑物周围也出现复杂的风向和组合气旋，这应引起建筑师的注意。

7.SL-7型流动显示仪

这是一只“双稳放大射流阀”的流谱。经喷嘴喷射出的射流（大信号）可附于两侧壁的任一侧面，即产生射流贴附现象。若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；旋转仪器表面控制圆盘，当左气道与圆盘气孔相通时（通大气），射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时再转动圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如果要使射流再切换回来，只要转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。若圆盘两个气孔与两个气道都相通时，则射流在左右两侧形成对称射流。因此，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号（气流），便能输出一个大信号（射流）。

根据射流附壁现象可以制作各种射流元件。并可把它们组成自动控制系统或自动监测系统。