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流动现象演示实验：24实验十流动现象演示实验

一、实验目的和要求

1.观察管流、射流、明渠流中的多种流动现象；

2.演示边界条件对水头损失的影响；

3.结合工程实例，了解流体力学基本原理在工程实际中的应用。

二、实验装置

1.结构

仪器结构如图10.1、10.3所示。本仪器一套共7台，分别演示不同的流动

现象。

1.挂孔2.彩色有机玻璃面罩3.不同边界的流动显示板4.加水孔孔盖5.掺

气量调节阀

6.蓄水箱7.无级调速旋钮8.电器、水泵室9.标牌10.铝合金框架后盖11.

水位观察窗

图10.1流动现象演示仪结构示意图

2.工作原理

狭缝流道中设有特定边界流场，用以显示管流、明渠流、射流等多种流动

图谱。以气泡为示踪介质，半封闭状态下的工作流体-水由水泵驱动，自蓄水箱

6(10.1)经掺气后流经显示板，无数的小气泡随水流一起流动，在仪器内的日光

灯照射和显示板底板的衬托下，小气泡发出明亮的折射光，清楚地显示出小气

泡跟随水流流动的图像。由于气泡的粒径大小、掺气量的多少可由掺气量调节

阀5任意调节，故能使小气泡相对水流流动具有足够的跟随性。

所示。

图10.2流动现象演示仪工作流程图

三.实验现象与原理

各实验仪演示内容及实验原理提要如下：

1.ZL一1型(图10.3(a))

由下至上分别演示逐渐扩大、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、

1800直角弯道等平面上的流动图像，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩大段可看到由主流脱离边壁(边界层分离)而形成的旋涡，且靠近

上游喉颈处，流速越大，旋涡尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无

分离，流线均匀收缩，亦无旋涡。由此可知，逐渐扩大段的局部水头损失大于

逐渐收缩段。

图10.3流动现象综合演示仪显示面板

在突然扩大段出现了较大的旋涡区，而突然收缩段只在死角处和进口附近

的收缩断面后出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失

(缩扩的直径比大于0.7时例外)，而且突缩段的旋涡区主要发生在突缩断面之

后，所以水头损失也主要产生在突缩断面之后。同时可见，突扩、突缩较之较

扩、渐缩旋涡区长，水头损失大。

由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在

管嘴进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速

增大，从而在收缩断面出现真空。

在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道水流中，流

线弯曲更加剧烈，越靠近弯道内侧，流速越小；且近内壁处，出现明显的回流，

将直角弯道所形成的回流范围与ZL一2型圆角转弯对比，显然直角弯道旋涡区

大，回流更加明显。

流量减小，渐扩段流速较小，其紊动强度也较小，这时可看到在整个渐扩段有

明显的单个大尺度旋涡。反之，当流量增大时，这单个大尺度旋涡随之破碎，

并形成无数个小尺度的旋涡，且流速越高，紊动强度越大，则旋涡越小，这时，

几乎每一个质点都在其附近激烈地旋转着。在突扩段，也可看到类似的旋涡尺

度变化。这表明：紊动强度越大，旋涡尺度越小，流体质点间的内摩擦越厉害，

水头损失也就越大。

2.ZL一2型(图10.3(b))

由下至上分别演示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴以及壁面冲

击、1800圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。

由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无主流与边壁的分离

和旋涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有

小旋涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。

由此可知，孔板流量计的过流阻力远比文丘里流量计大。圆弧进口管嘴人流顺

畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生(对比ZL一1型的直角进口管嘴)；

在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，但相对ZL一1型的直角

弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域较小。

文丘里、孔板流量计的结构简单、使用方便、测量精度高。由显示可见其

结构的区别及其用途：文丘里流量计的优点是能量损失较小，对液流干扰较少，

广泛应用于实验室与