沙育年,錢學(xué)忠

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系,云南楚雄675000)

流線演示儀的制作及應(yīng)用

沙育年,錢學(xué)忠

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系,云南楚雄675000)

利用有機(jī)玻璃、排水管、水閥染料容器板等制作了流線演示儀,采用對(duì)工作液體染色的方法,避免了工作液體和有色液體的壓力差.利用本儀器,對(duì)圓形障礙物、流線體和機(jī)翼模型周圍的流線進(jìn)行演示,流線穩(wěn)定、清晰.

流線;染料;圓形障礙物;流線體;機(jī)翼模型

在流體力學(xué)中引入流線來(lái)直觀形象地表述流場(chǎng).而在教學(xué)中一般只見教師在黑板上畫流線,應(yīng)用流線,很難見到實(shí)際的流線的實(shí)驗(yàn)演示.觀察流動(dòng)圖案是學(xué)習(xí)和研究流體力學(xué)的重要方法,也是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一.觀察原形流動(dòng)和模型流動(dòng)可以獲得液體流動(dòng)的感性知識(shí),促進(jìn)對(duì)理性知識(shí)的理解.為了提高流體力學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效率和效果,設(shè)計(jì)制作了流線演示儀,用于教學(xué)后學(xué)生很感興趣.

1 實(shí)驗(yàn)原理

跡線是運(yùn)動(dòng)中的某一流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)所占據(jù)空間點(diǎn)的連線,也就是流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡.流線是某一瞬間在流速場(chǎng)中所作的曲線,在這條曲線上的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在該瞬間的速度矢量都與此線相切.假如在通過(guò)空間的各點(diǎn)都描繪出同一瞬間的流線,那么這些流線的綜合就可描繪出整個(gè)空間在該瞬間的流動(dòng)景象.在定常流動(dòng)中,流速場(chǎng)不隨時(shí)間改變,流線形狀也不會(huì)隨時(shí)間改變.跡線和流線互相重合.因此,在定常流動(dòng)中,知道了跡線,也就知道了和跡線相重合的流線.如果使通過(guò)某些固定點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)染色,便可以觀察到流體的跡線,也就是觀察到了流線.根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)制作了流線演示儀.

2 流線演示儀的結(jié)構(gòu)

流線演示儀主體結(jié)構(gòu)如圖1所示.流線演示儀附件:染料容器板、各種形狀的障礙物、固體染料顆粒(如高錳酸鉀顆粒)、水槽、進(jìn)水管等.

圖1 流線演示儀照片

水箱和透明平行板均用厚度為5.0 mm的有機(jī)玻璃制成.水箱長(zhǎng)20.0 cm,寬16.0 cm,高20.0 cm;上端開放,下端與透明平行板相聯(lián)通;在距上口沿2.0 cm處打一直徑1.0 cm的溢液孔,安裝溢液管;其余密封.透明平行板內(nèi)高40.0 cm,寬18.0 cm,厚度14.0 mm,兩透明平行板之間相距4.0 mm;上端開口,并與水箱連成一個(gè)整體;下端中點(diǎn)開一直徑為4.0 mm排水孔,其余密封.排水孔與塑料排水管相通,排水管上安裝1個(gè)水閥,以控制下流水量.染料容器板是用有機(jī)玻璃制成的帶小孔的長(zhǎng)方形板條,其長(zhǎng)為19.5 cm,寬1 cm,厚2 mm.染料容器板上的小孔直徑2.0 mm,深2.0 mm,底部粘上透明膠帶,再用直徑0.4 mm的金屬線加熱后在底部穿孔,形成上大下小的小孔,小孔間距8 mm左右,均勻地排成一排.染料容器板密度要比工作液體大,可以自由取出、放入,實(shí)驗(yàn)前在小孔內(nèi)放入固體染料顆粒(如高錳酸鉀顆粒等)備用.由于底部孔徑較小,稍大的染料顆粒并不會(huì)漏掉,而是留在上大下小的孔中.染料容器板可以制作多塊,孔間距可以各不相同,以適應(yīng)各種障礙物的演示需要.各種障礙物用厚4.0 mm(厚度與透明平行板間距相同)的有機(jī)玻璃制成,表面粘上彩色膠紙,演示時(shí)放在透明平行板間適當(dāng)位置.

儀器材料:自制流線演示儀及附件、水、水槽、秒表、250 m L量筒、毫米刻度尺、游標(biāo)卡尺、高錳酸鉀、水銀溫度計(jì).

3 儀器的使用

先在染料容器板條的小孔中裝入染料顆粒,將帶染料顆粒的染料容器板條放入水箱底部透明平行板上口沿位置;用輸水管將工作液體(如水等)緩慢地注入水箱,注意不要將輸水管的水直接沖在染料容器板條上,以免將染料顆粒沖到不需要處.工作液體從水箱流過(guò)染料容器進(jìn)入相距4.0 mm的透明平行板之間.經(jīng)過(guò)染料顆粒處的工作液體被染料染色與其他未被染色的水一起進(jìn)入透明平行板之間,工作液體在透明平行板之間形成流譜.工作液體最后經(jīng)排水管、水閥排出.如果要觀察障礙物對(duì)流體流動(dòng)的影響,應(yīng)事先在兩平行板間放入障礙物,再放入染料容器板,用水管向水箱內(nèi)緩慢地注入工作液體,打開水閥讓工作液體流出,調(diào)節(jié)水閥控制流速.如果注入的工作液體大于水閥的排出量,多余的工作液體由溢液管溢出,以控制和穩(wěn)定流速.為了照相,可以在透明平行板背面放一純白色背景屏.

本儀器采用直接給工作液體染色的方法.不存在工作液體和有色液體間有壓力差的情況,儀器使用方便,圖像穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),為觀察定常流狀態(tài)提供了條件.

流速測(cè)量:待流速v穩(wěn)定后,用水槽收集在時(shí)間t內(nèi)流出的水;用量筒量出時(shí)間t內(nèi)流出的水的體積V;用秒表記錄時(shí)間 t;測(cè)量出透明平行板

4 儀器應(yīng)用實(shí)例

4.1 圓形障礙物周圍的流線演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,圓形障礙物直徑41.5 mm,厚4.0mm.水的流速為3.3×10-3m/s,水溫21℃.工作液體從上端流入,觀察到的流線如圖2所示.可以看出圓形障礙物周圍的穩(wěn)定流動(dòng)流線有很好的對(duì)稱性.考慮到圓板的厚度時(shí),此圓板就成了圓柱.此時(shí)對(duì)圓板的繞流就成了無(wú)環(huán)量圓柱繞流情況,這一點(diǎn)可以和許多流體力學(xué)著作中的圖有很好的相似性.流體經(jīng)過(guò)圓柱后,在后端形成一模糊區(qū),是一個(gè)流速很小的區(qū)域,可能是渦流的作用結(jié)果.

圖2 圓形障礙物周圍的流線圖

4.2 流線體附近的流譜演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,水的流速為4.2×10-3m/s,水溫21℃.觀察到長(zhǎng)為72.3 mm,最寬處為16.1 mm,厚4.0 mm的對(duì)稱流線形柱體障礙物周圍的流線,如圖3所示.可以看出包括尾端在內(nèi)的流線都很流暢,沒(méi)有模糊區(qū),無(wú)渦流.

圖3 流線體附近的流線圖

4.3 機(jī)翼模型周圍的流譜演示

用水為工作液體,用高錳酸鉀顆粒作染色劑,水的流速為4.2×10-3m/s,水溫21℃.觀察到長(zhǎng)為72.4 mm,最寬處為12.6 mm,厚4.0 mm橫截面為機(jī)翼的柱體模型周圍的流線如圖4所示.流線與障礙物很吻合,都很流暢.凸面(左邊)流線間距兩側(cè)寬中間窄的現(xiàn)象明顯,說(shuō)明了流速變化明顯.

圖4 機(jī)翼模型周圍的流線圖

該自制的流線演示儀的工作液體最大流速為1.43×10-2m/s,使演示范圍受到了一定限制.

[1]陳克城.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

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屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-05-26

沙育年(1953-),男,云南大姚人,楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系副教授,從事實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)與研究工作.