水的流线演示实验装置的设计与制作

袁伟涵

(河北衡水第一中学 河北 衡水 053000)

1 引言

流体力学是一门既古老又富有生命力的学科，从2 000多年前的阿基米德原理为流体静力学奠定了基础开始，流体力学在人类的日常生活及生产事业中占有越来越重要的地位．

流体力学主要研究对象是气体和液体，而空气和水是生活中最常见到的两种流体．与之相关的气象、水利、船舶、飞行器等领域都用到了流体力学的知识．在不断发展的过程中，又衍生出许多新兴的流体力学学科：生物流体力学、地质流体力学、电磁流体力学、计算流体力学等．

在学习流体力学理论知识时，引入了流线的概念来描述流体的运动．流线是为了形象描述流体人为画出的曲线，在实际流体中并不可见．我们设计制作了一台水的流线演示实验装置，能够直观地看到水的流动状态，加深对流体流线相关理论知识的理解．

2 设计原理

在研究水这样的流体运动状态时，可以利用流线或迹线来进行描述．迹线是某一流体质点在运动过程中某连续的时间段内所占据空间点的连线，即流体质点的运动轨迹．流线是指在某一瞬间在流速场中由无数质点所组成的一条平滑的曲线，曲线上任意质点在该瞬时的速度矢量都与此曲线相切(图1)．如果描绘出空间的各点在同一瞬间的流线，那么将这些流线综合起来就可以描绘出整个空间在这一瞬间流场的流动现象．

图1 流线

如果我们将水染色，用这些染色后的液体质点来显示流场动态，便可以清晰地观察到流体的迹线．在定常流动中流速场不会随着时间而改变，即流线的形状不会随时间而改变,此时迹线与流线是互相重合的．因此在定常流动中观察到液体的迹线，也就相当于观察到了流线．

当这些流场迹线经过不同形状的障碍物周围时，就可以直观地反映出流场的分布规律以及流线的特征和性质(图2)．这样对初学者会产生极大的兴趣，产生强烈地学习欲望，为今后深入地学习和理解打下坚实的基础.水的流线演示实验装置便是根据上述原理进行设计和制作的．

图2 流线绕过障碍物

3 演示实验装置的设计和制作

我们所设计的流线演示实验装置的主体结构由顶部的的两个前后水槽，中间水流夹层、底部储水槽、支撑侧板等几部分组成．

材料采用5 mm厚的透明亚克力板，通过合理的设计，将亚克力板切割成所需的形状并粘接形成仪器主体结构,如图3所示．

图3 流线演示实验装置的立体结构

演示装置的结构如图4所示，顶部水槽与水流夹层板之间钻有一排入水小孔，小孔的直径为1 mm，孔间距为10 mm，前后顶部水槽的入水小孔交错排布．

水流夹层由前后两片透明亚克力板和夹在两板周边的等厚垫片组成一个薄空间，其空间厚度为5 mm，特制的障碍物模型能够放入这个夹层中，水也能够在夹层中绕过模型自由流动．

水流夹层板外设有定位磁铁，我们采用了磁性较强的钕铁硼磁铁，两块为一组，这两块磁铁可以牢固地吸在水流夹层板的两侧，还能方便地改变位置，它的作用是能够吸住放入夹层中的障碍物模型，起到固定和定位障碍物模型位置的作用．利用多组这样的磁铁还可以将多个模型同时放置在夹层中进行实验观察．

夹层最下端装有一个带开关阀的排水管，可以通过控制阀门开关的大小的来控制从顶部水槽经过入水小孔流过夹层的水流的流动速度．

图4 流线演示装置结构图 (a前视图，b侧视图)

流出排水管的废水暂时储存在底部的水槽中，底部水槽的容积大约是顶部水槽的3倍，能够满足多次注排水实验的使用．底部水槽也有一个带有橡胶塞的排水口，由实验结束后拔掉橡胶塞可以方便地把废水排掉．

两侧的支撑板不仅是组成上下水槽的一部分，还将上下水槽、水流夹层等部分连接为一个整体，这样的设计结构能够使得仪器外形美观、结实耐用．

障碍物模型采用不透明的白色亚克力板制作，板材厚度为4 mm，这样可以方便地放入夹层或从中取出来，根据实际需要可以制作不同形状的障碍物，比如圆形、机翼剖面形等形状(图5)．在障碍物模型中心镶嵌有铁片，这样就可以被定位磁铁吸住，固定在水流夹层的某个位置上．

图5 障碍物模型

4 演示实验装置的操作和现象

首先把水流夹层底部的排水管阀门打开，在实验装置顶部的两个水槽注入清水，水会通过顶部水槽与夹层间的小孔流入夹层，待夹层内充满水后，关闭排水管阀门．

将某一个障碍物模型插入水流夹层中，用定位磁铁在夹层板外吸住障碍物模型中心的铁片，通过移动定位磁铁，可以吸引障碍物模型放置在水流夹层中合适的位置上．

在顶部两个水槽的其中一个水槽中滴入墨水并搅拌均匀，形成带颜色的水．缓慢打开排水管阀门，使水流稳定地向下流动，清水和带颜色的水通过交错排布的入水小孔流进水流夹层并绕过障碍物流动，就会出现一系列稳定的有色流线线条．

更换不同形状的障碍物模型能够观察到相应的流线分布(图6)．也可以将2～3个不同的障碍物模型同时放入夹层中进行对比观察．

图6 不同障碍物周围的流线分布现象

实验时可以在透明的水流夹层后衬托一张白纸，这样流线的线条将更加明显(图7)．

图7 流线演示实验装置的演示效果

5 结束语

本演示实验装置设计合理、外形美观、使用操作方便，可以课堂上进行演示．它能够把流体中的流线和障碍物周围流场分布状况直观地显现出来，将不可见的流线展现在眼前，加深学生对流体性质的认识和理解，使抽象的物理理论变得生动有趣，激发学生们主动学习物理知识的兴趣．