流线演示仪的制作及应用

沙育年,钱学忠

(楚雄师范学院物理与电子科学系,云南楚雄675000)

流线演示仪的制作及应用

沙育年,钱学忠

(楚雄师范学院物理与电子科学系,云南楚雄675000)

利用有机玻璃、排水管、水阀染料容器板等制作了流线演示仪,采用对工作液体染色的方法,避免了工作液体和有色液体的压力差.利用本仪器,对圆形障碍物、流线体和机翼模型周围的流线进行演示,流线稳定、清晰.

流线;染料;圆形障碍物;流线体;机翼模型

在流体力学中引入流线来直观形象地表述流场.而在教学中一般只见教师在黑板上画流线,应用流线,很难见到实际的流线的实验演示.观察流动图案是学习和研究流体力学的重要方法,也是流体力学实验的重要内容之一.观察原形流动和模型流动可以获得液体流动的感性知识,促进对理性知识的理解.为了提高流体力学内容的教学效率和效果,设计制作了流线演示仪,用于教学后学生很感兴趣.

1 实验原理

迹线是运动中的某一流体质点在连续时间内所占据空间点的连线,也就是流体质点的运动轨迹.流线是某一瞬间在流速场中所作的曲线,在这条曲线上的各个质点在该瞬间的速度矢量都与此线相切.假如在通过空间的各点都描绘出同一瞬间的流线,那么这些流线的综合就可描绘出整个空间在该瞬间的流动景象.在定常流动中,流速场不随时间改变,流线形状也不会随时间改变.迹线和流线互相重合.因此,在定常流动中,知道了迹线,也就知道了和迹线相重合的流线.如果使通过某些固定点的流体质点染色,便可以观察到流体的迹线,也就是观察到了流线.根据这一原理设计制作了流线演示仪.

2 流线演示仪的结构

流线演示仪主体结构如图1所示.流线演示仪附件:染料容器板、各种形状的障碍物、固体染料颗粒(如高锰酸钾颗粒)、水槽、进水管等.

图1 流线演示仪照片

水箱和透明平行板均用厚度为5.0 mm的有机玻璃制成.水箱长20.0 cm,宽16.0 cm,高20.0 cm;上端开放,下端与透明平行板相联通;在距上口沿2.0 cm处打一直径1.0 cm的溢液孔,安装溢液管;其余密封.透明平行板内高40.0 cm,宽18.0 cm,厚度14.0 mm,两透明平行板之间相距4.0 mm;上端开口,并与水箱连成一个整体;下端中点开一直径为4.0 mm排水孔,其余密封.排水孔与塑料排水管相通,排水管上安装1个水阀,以控制下流水量.染料容器板是用有机玻璃制成的带小孔的长方形板条,其长为19.5 cm,宽1 cm,厚2 mm.染料容器板上的小孔直径2.0 mm,深2.0 mm,底部粘上透明胶带,再用直径0.4 mm的金属线加热后在底部穿孔,形成上大下小的小孔,小孔间距8 mm左右,均匀地排成一排.染料容器板密度要比工作液体大,可以自由取出、放入,实验前在小孔内放入固体染料颗粒(如高锰酸钾颗粒等)备用.由于底部孔径较小,稍大的染料颗粒并不会漏掉,而是留在上大下小的孔中.染料容器板可以制作多块,孔间距可以各不相同,以适应各种障碍物的演示需要.各种障碍物用厚4.0 mm(厚度与透明平行板间距相同)的有机玻璃制成,表面粘上彩色胶纸,演示时放在透明平行板间适当位置.

仪器材料:自制流线演示仪及附件、水、水槽、秒表、250 m L量筒、毫米刻度尺、游标卡尺、高锰酸钾、水银温度计.

3 仪器的使用

先在染料容器板条的小孔中装入染料颗粒,将带染料颗粒的染料容器板条放入水箱底部透明平行板上口沿位置;用输水管将工作液体(如水等)缓慢地注入水箱,注意不要将输水管的水直接冲在染料容器板条上,以免将染料颗粒冲到不需要处.工作液体从水箱流过染料容器进入相距4.0 mm的透明平行板之间.经过染料颗粒处的工作液体被染料染色与其他未被染色的水一起进入透明平行板之间,工作液体在透明平行板之间形成流谱.工作液体最后经排水管、水阀排出.如果要观察障碍物对流体流动的影响,应事先在两平行板间放入障碍物,再放入染料容器板,用水管向水箱内缓慢地注入工作液体,打开水阀让工作液体流出,调节水阀控制流速.如果注入的工作液体大于水阀的排出量,多余的工作液体由溢液管溢出,以控制和稳定流速.为了照相,可以在透明平行板背面放一纯白色背景屏.

本仪器采用直接给工作液体染色的方法.不存在工作液体和有色液体间有压力差的情况,仪器使用方便,图像稳定时间长,为观察定常流状态提供了条件.

流速测量:待流速v稳定后,用水槽收集在时间t内流出的水;用量筒量出时间t内流出的水的体积V;用秒表记录时间 t;测量出透明平行板

4 仪器应用实例

4.1 圆形障碍物周围的流线演示

用水为工作液体,用高锰酸钾颗粒作染色剂,圆形障碍物直径41.5 mm,厚4.0mm.水的流速为3.3×10-3m/s,水温21℃.工作液体从上端流入,观察到的流线如图2所示.可以看出圆形障碍物周围的稳定流动流线有很好的对称性.考虑到圆板的厚度时,此圆板就成了圆柱.此时对圆板的绕流就成了无环量圆柱绕流情况,这一点可以和许多流体力学著作中的图有很好的相似性.流体经过圆柱后,在后端形成一模糊区,是一个流速很小的区域,可能是涡流的作用结果.

图2 圆形障碍物周围的流线图

4.2 流线体附近的流谱演示

用水为工作液体,用高锰酸钾颗粒作染色剂,水的流速为4.2×10-3m/s,水温21℃.观察到长为72.3 mm,最宽处为16.1 mm,厚4.0 mm的对称流线形柱体障碍物周围的流线,如图3所示.可以看出包括尾端在内的流线都很流畅,没有模糊区,无涡流.

图3 流线体附近的流线图

4.3 机翼模型周围的流谱演示

用水为工作液体,用高锰酸钾颗粒作染色剂,水的流速为4.2×10-3m/s,水温21℃.观察到长为72.4 mm,最宽处为12.6 mm,厚4.0 mm横截面为机翼的柱体模型周围的流线如图4所示.流线与障碍物很吻合,都很流畅.凸面(左边)流线间距两侧宽中间窄的现象明显,说明了流速变化明显.

图4 机翼模型周围的流线图

该自制的流线演示仪的工作液体最大流速为1.43×10-2m/s,使演示范围受到了一定限制.

[1]陈克城.流体力学实验技术[M].北京:机械工业出版社,1983.

[责任编辑:郭 伟]

Production and application of stream line demonstrator

SHA Yu-nian,Q IAN Xue-zhong(Physics and Electronic Science Department,Chuxiong No rmal University,Chuxiong 675000,China)

The stream line demonstrator was made by o rganic glass,drain-pipe,dye,etc.The p ressure difference between working liquid and colored liquid wasavoided by dyeing someworking liquid.U sing the stream line demonstrator,the stream lines of circular obstacle,stream line body and w ing model were demonstrated,and the stream lineswere stabile and clear.

stream line;dye;circular obstacle;stream line body;w ing model

O351.2

A

1005-4642(2011)01-0031-03

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-05-26

沙育年(1953-),男,云南大姚人,楚雄师范学院物理与电子科学系副教授,从事实验物理教学与研究工作.