新型裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

趙潤(rùn)辰,胡婭雯,焦艷梅,嚴(yán)愿萍

(南京工業(yè)大學(xué),a.土木工程學(xué)院;b.機(jī)械工程與動(dòng)力學(xué)院;c.數(shù)理科學(xué)學(xué)院;d.圖書(shū)館,南京211816)

0 引言

流體力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中起著非常重要的認(rèn)知與指導(dǎo)作用。為降低此類實(shí)驗(yàn)裝置采購(gòu)、裝配、維護(hù)、儲(chǔ)存等成本,研究人員研發(fā)出了一系列綜合性流體實(shí)驗(yàn)裝置,且較為成熟,但在空間、零整比、利用率、壽命、精準(zhǔn)度等方面仍存在不足之處。本研究提出了一種新型裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置具有實(shí)驗(yàn)功能全面、穩(wěn)流效果好、可拓展性強(qiáng)、成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于本裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置可分別進(jìn)行雷諾實(shí)驗(yàn)、卡門渦街、管口出流實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置總體分為共用組件和非共用組件兩部分。其中,共用組件主要包括穩(wěn)流水箱、蓄水箱、流體循環(huán)組件;非共用組件主要有雷諾出流組件、卡門渦街明渠組件、管嘴及孔口出流組件。此新型裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置各個(gè)組件具體信息如下：

1.1 共用組件

1.1.1 蓄水水箱及流體循環(huán)組件

如圖1所示,本裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置使用的蓄水箱規(guī)格為700 mm×500 mm×1000 mm,為保證實(shí)驗(yàn)時(shí)流體有效循環(huán),蓄水量至少應(yīng)達(dá)到蓄水箱體積的80%。根據(jù)人體工學(xué)需求,實(shí)驗(yàn)操作高度約為1.3 m,故本裝置選取最大揚(yáng)程為2 m的抽水泵[1]。水泵、進(jìn)水管、回水過(guò)濾槽、回水管道一起構(gòu)成流體循環(huán)組件。

圖1 裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.2 穩(wěn)流水箱

共用組件穩(wěn)流水箱(圖2-a)由PMMA透明板材拼接膠合而成,規(guī)格為500 mm×410 mm×250 mm,并配套3款不同實(shí)驗(yàn)功能下的連接構(gòu)件。創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了插入式二氧化硅顆粒穩(wěn)流抽屜,與溢流壩一起構(gòu)成了便于拆裝、清洗、維護(hù)的可拆卸式穩(wěn)流核心結(jié)構(gòu)。其中,穩(wěn)流抽屜(圖2-b)由II板、III板、一個(gè)孔狀底板、兩個(gè)無(wú)孔擋板膠合密封而成,內(nèi)部充滿直徑為Sφ4、Sφ6、Sφ8的二氧化硅顆粒。溢流壩I板頂端設(shè)計(jì)成弧形,可有效避免液體飛濺。根據(jù)整流理論,在II板、III板上均勻密集開(kāi)鑿多個(gè)平孔和平半圓孔(低端末排)用于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定水位或?qū)嶒?yàn)結(jié)束時(shí)排空裝置內(nèi)積水[2-3]。底板設(shè)計(jì)為孔狀結(jié)構(gòu),以便在穩(wěn)流抽屜提起時(shí)及時(shí)、快速排水,防止穩(wěn)流抽屜膠合處爆裂。穩(wěn)流抽屜的孔狀側(cè)板III和溢流壩豎直邊緣均設(shè)計(jì)成角度為45°的V型凸起。穩(wěn)流箱體兩側(cè)面開(kāi)有角度為45°的V型溝槽。V型凸起與V型溝槽在組裝時(shí)快速嚙合,能夠有效降低穩(wěn)流組件組裝難度,提高穩(wěn)流組件間的密封性、穩(wěn)定性、抗磨損性等性能。

圖2 穩(wěn)流水箱

1.2 非共用組件

本裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置具有較好的可拓展性,通過(guò)增加或替換滿足不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求的非共用組件,達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拓展的目的。本實(shí)驗(yàn)裝置示范性實(shí)驗(yàn)所需的非共用組件包括雷諾出流組件用于完成雷諾實(shí)驗(yàn)、卡門渦街明渠組件用于完成卡門渦街實(shí)驗(yàn)、管嘴與孔口出流組件用于完成管嘴與孔口出流實(shí)驗(yàn)。為了滿足不同實(shí)驗(yàn)組件間高效、快速切換,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上探索研發(fā)了共用組件與非共用組件間的規(guī)格化可拆卸接口及相應(yīng)自鎖系統(tǒng)。

1.2.1 可拆卸接口及相應(yīng)自鎖系統(tǒng)

如圖3所示,應(yīng)用規(guī)格化可拆卸接口可大幅度降低頻繁拆裝過(guò)程對(duì)接口的磨損,為拓展開(kāi)發(fā)其他實(shí)驗(yàn)提供可能性。設(shè)計(jì)了一套便于快捷安裝的自鎖密封系統(tǒng),該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)膠合密封系統(tǒng),蓄水初期階段由于水位較低,擋板底部滲水為主,故在實(shí)驗(yàn)擋板與穩(wěn)流水箱的接觸面(圖2-a)上附著一層亞克力密封膠,在快拆器的機(jī)械擠壓力作用下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)擋板與穩(wěn)流水箱間的密封。蓄水中后期水位較高,此時(shí)蓄水箱內(nèi)水體對(duì)實(shí)驗(yàn)擋板產(chǎn)生較大水平方向壓力,從而進(jìn)一步強(qiáng)化自鎖密封效果。在轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),掰開(kāi)快拆器并松開(kāi)快拆器螺栓位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)螺絲后抽出擋板,隨即插入所要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)擋板及其非共用組件,完成更換操作。

圖3 可拆卸擋板

1.2.2 雷諾出流組件

如圖4所示,雷諾出流組件由以下部件構(gòu)成：符合可拆卸接口要求的可拆卸擋板;示蹤試劑導(dǎo)流部件,其導(dǎo)流管底部與出流流體流動(dòng)方向一致;出流管,該管使用規(guī)格為φ20×4的PMMA空心管材,在出流管出口后端安裝無(wú)級(jí)流量閥,用以調(diào)控管內(nèi)流體出流速度;雷諾漸縮管嘴,其管徑呈高階可導(dǎo)曲線,用以提供漸變流,管嘴兩端內(nèi)口徑分別為φ100×6、φ26×6;防滾支架,用于支撐、固定出流管。

圖4 雷諾實(shí)驗(yàn)出流組件

1.2.3 卡門渦街明渠組件

如圖5所示,卡門渦街明渠組件在A處無(wú)擋板,B處設(shè)有溢流壩(末端擋板)。明渠兩側(cè)擋板采用PMMA透明板材用于觀察、捕捉卡門渦街現(xiàn)象,其規(guī)格為1110 mm×400 mm×10 mm;B處溢流壩與穩(wěn)流水箱溢流壩采用同樣的弧形設(shè)計(jì),起到防止液體飛濺和控制水位的目的,其規(guī)格為150 mm×300 mm×10 mm。

圖5 卡門渦街實(shí)驗(yàn)組件

1.2.4 管嘴與孔口出流組件

如圖6-a所示,實(shí)驗(yàn)所用不同管嘴與孔口通過(guò)切換輪盤進(jìn)行調(diào)節(jié),輪盤通過(guò)螺栓固定在穩(wěn)流水箱擋板上。管嘴接口直徑為φ20 mm,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制加工不同形狀的管嘴,并通過(guò)UV膠固定至A、B、C處位置。選用的管嘴結(jié)構(gòu)如圖6-b所示。

圖6 管嘴出流實(shí)驗(yàn)組件

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 雷諾實(shí)驗(yàn)

雷諾數(shù)是表征流體黏性影響的無(wú)量綱數(shù),就物理意義而言,其數(shù)值反映了慣性力與黏性力比值的大小。臨界雷諾數(shù)則是流態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵指示性參數(shù),分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。前者是指層流向紊流轉(zhuǎn)化時(shí)的臨界雷諾數(shù),后者是指紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化時(shí)的臨界雷諾數(shù)[4-5]。針對(duì)圓管的雷諾實(shí)驗(yàn)研究普遍認(rèn)為,上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定,變化范圍在5000～40 000,而下臨界雷諾數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定,數(shù)值為2320[6]。故實(shí)際應(yīng)用中一般采用下臨界雷諾數(shù)作為流動(dòng)狀態(tài)是層流還是紊亂的判斷依據(jù)[7]?；谠O(shè)計(jì)制作的雷諾出流實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)測(cè)得臨界雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行上、下臨界雷諾數(shù)單樣本K-S正態(tài)檢驗(yàn)進(jìn)一步得到上、下臨界雷諾數(shù)分布(圖7)。研究發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)測(cè)得的下臨界值服從正態(tài)分布,均值為2260.7,標(biāo)準(zhǔn)差為139.3;上臨界值測(cè)得同樣服從正態(tài)分布,均值為11 362.4,但相應(yīng)樣本標(biāo)準(zhǔn)差較大,約為1897。此結(jié)論與雷諾實(shí)驗(yàn)研究普遍結(jié)論一致,故本裝置在進(jìn)行雷諾實(shí)驗(yàn)方面具有較高的準(zhǔn)確性和較好的應(yīng)用價(jià)值。

表1 臨界雷諾數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖7 上、下臨界雷諾數(shù)單樣本K-S正態(tài)檢驗(yàn)

出流管直徑D為2×10-2m,實(shí)驗(yàn)溫度T為14 ℃,運(yùn)動(dòng)黏度μ為1.171×10-6m2/s,當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.76 m/s2。為合理降低實(shí)驗(yàn)誤差,以上每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間均不相等,下同。

2.2 管嘴與孔口出流實(shí)驗(yàn)

裝置使用水頭式瞬時(shí)數(shù)顯流量?jī)x,通過(guò)循環(huán)監(jiān)測(cè)的方式分別測(cè)量不同管嘴和孔口的流量。在水頭H0作用下薄壁管嘴或孔口自由出流時(shí)的流量qV可用下式計(jì)算：

(1)

其中,φ=1/(1+ζ)1/2為流速因數(shù),ζ是阻力因數(shù);ε=Ac/A為收縮因數(shù),Ac、A分別為收縮斷面面積、斷面面積;ν=εφ為流量因數(shù);g為重力加速度;H0=H+αv20/(2g),由于管嘴與孔口出流速度水頭αv20/(2g)較小,此項(xiàng)可忽略不計(jì)。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)圖6所示幾種不同出流實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從左至右依次為孔口、直角管嘴A、圓錐管嘴、直角管嘴B分別進(jìn)行出流實(shí)驗(yàn)觀測(cè),各參數(shù)如表2所示?？梢钥闯?當(dāng)水箱液位相差不大時(shí),所測(cè)得流體流量相差較大。在一定水位高度下,管嘴與孔口的形狀及流道收縮面變化狀態(tài)對(duì)流體出流流速影響較大。經(jīng)對(duì)比研究,管嘴與孔口出流實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書(shū)[8-9]提供的經(jīng)驗(yàn)值之間的差值在合理誤差范圍內(nèi)。說(shuō)明本裝置在進(jìn)行管嘴與孔口出流實(shí)驗(yàn)方面具有較高的準(zhǔn)確性和較好的應(yīng)用價(jià)值。

表2 管嘴與孔口出流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 卡門渦街實(shí)驗(yàn)

新型裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置為定性觀測(cè)卡門渦街現(xiàn)象提供了優(yōu)良的操作與觀測(cè)平臺(tái)。按照實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)高精度針管泵(SPLab02)精準(zhǔn)控制示蹤試劑流速,當(dāng)流速合適時(shí)卡門渦街現(xiàn)象即可發(fā)生。此時(shí)可透過(guò)透明的PMMA擋板直接觀測(cè)或捕捉到清晰的卡門渦街現(xiàn)象(圖8)。

圖8 卡門渦街實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其他同類型流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置相比,新型裝配式流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：創(chuàng)新性使用可拆卸式穩(wěn)流原件,極大提升了裝置的可維護(hù)性、穩(wěn)流性等性能。設(shè)計(jì)采用的規(guī)格化可拆卸開(kāi)放式接口不僅具有較強(qiáng)的可拓展性,還可大幅度降低頻繁拆裝過(guò)程對(duì)接口的磨損。由透明PMMA材料研制而成的實(shí)驗(yàn)操作及觀測(cè)平臺(tái)密封性能優(yōu)良,易于操作及觀測(cè),造價(jià)低廉。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置的后期破壞性實(shí)驗(yàn)顯示：采用的加固條設(shè)計(jì)有效提高了裝置耐熱、耐腐蝕等特性,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)拓展方面的最大自由度,促進(jìn)學(xué)生在思考設(shè)計(jì)非共用組件的同時(shí)激發(fā)興趣,提升自主動(dòng)手創(chuàng)新能力,能夠從激發(fā)學(xué)生自主動(dòng)手創(chuàng)新能力角度出發(fā),極大程度促進(jìn)高校建立健全設(shè)施完備、功能齊全的基礎(chǔ)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,完善相關(guān)學(xué)科培養(yǎng)體系。