第五节 流线与流谱演示实验

一、实验目的和要求

（1）应用流动显示仪演示不同边界条件下的水流运动形态，以增强对流体运动特性的认识。

（2）应用流动显示仪演示水流绕流不同形状物体的尾流涡街现象及非自由射流现象等，增强对这些现象的感性认识。

二、实验原理

流线是某一瞬时在流场中绘出的曲线，在此曲线上所有液体质点的速度矢量都和该曲线相切。

流线具有如下特性：一般来说流线是不能相交的，因为在某一时刻一个液体质点只能有一个运动方向，如果两根流线相交于某点，则处在该点的质点同时有两个运动方向，这显然是不能成立的。流线不能突然转折，它只能是光滑的曲线或直线。恒定流时，由于速度的量值和方向均不随时间变化，因此，流线在空间的位置不变，即流线形状保持不变。非恒定流时，由于速度随时间而变化，通常流线的形状也随时间变化。

流线的形状与固体边界的形状有关。在边界较平顺的地方流线比较平顺，而在边界形状急剧变化的地方，由于质点的惯性，边界附近的质点不能沿着边界急剧变化，因此流线往往与边界分离，在主流与边界之间形成漩涡区。

流线分布的疏密程度与过流面积大小有关。过流面积小的地方流速大、流线密，过流面积大的地方流速小、流线疏。

三、实验设备

流线和流谱可以形象地显示各种水流形态及水流内部质点运动的特性，通过各种演示设备可以演示出流线和流谱。本实验采用水中掺有气泡的流动显示仪，流动图像可以形象地显示出分离、尾流、漩涡等多种流动形态及其水流内部质点运动的特性。如图2-5-1所示，为流动显示仪的示意图。该仪器由有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示出不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流谱。整个实验仪器由四个单元组成，每个单元都是一套独立的装置。

四、实验步骤

1.接通电源

2.演示内容

（1）Ⅰ型：显示逐渐扩散、突然收缩、突然扩大、顶部突然缩小和直角弯道等管道纵剖面上的流谱图像。

1）在逐渐扩散段可以看到边界层分离而产生明显的漩涡。

2）在突然收缩段仅在拐角处出现小漩涡，在突然扩大段出现强烈的漩涡区。

3）在直角转弯区段，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于流道很不顺畅，回流区范围较广。

（2）Ⅱ型：显示逐渐扩散、突然收缩、突然扩大、顶部突然缩小和直角弯道等管道纵剖面上的流谱图像，但是与Ⅰ型不同的是突然缩小断面内侧拐角为圆弧拐角，而不是Ⅰ型的直角拐角。

图2-5-1 流动显示仪

1）在逐渐扩散段可以看到边界层分离而产生明显的漩涡。

2）在突然收缩段可以看到圆弧拐角处流线较顺畅通过，在突然扩大段出现强烈的漩涡区。

3）在直角转弯区段，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于流道很不顺畅，回流区范围较广。

（3）Ⅲ型：显示圆柱绕流等的流谱。该单元装置能十分清晰地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况、卡门涡街的图像、顶部圆弧形逐渐收缩流线和直角弯道等管道纵剖面上的流谱图像。

1）驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。

2）边界层分离：流谱显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。

3）卡门涡街：圆柱的轴与来流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后在圆柱下游两侧产生旋转方向相反的漩涡，并流向下游，称为卡门涡街。

4）在圆弧形逐渐收缩段流线均匀收缩，无漩涡产生。

（4）Ⅳ型：显示机翼剖面模型绕流等的流谱。该单元装置可以不断改变机翼剖面模型的迎流方向，从而清晰地显示出不同迎流方向下机翼剖面模型上下表面流线的通过图像、流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况及顶部圆形弯道段的图像。

1）驻点：观察流经机翼剖面模型前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿机翼剖面模型周边的变化情况。

2）边界层分离：流谱显示了机翼剖面模型绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态，在机翼剖面模型处于不同迎流方向时，边界层的分离点位置不同，当尖角迎流时，则边界层的分离就从尖角开始；当曲线迎流时，由于流线形状，则分离点的位置将推后。当水流通过机翼时，在机翼的凸面，流线较顺畅，在机翼的凹面，主流与壁面之间形成一回流区。在机翼的尾部发生边界层的分离，形成尾流区。

3）顶部圆形弯道段，流线较顺畅，与Ⅲ型直角弯道相比，漩涡发生较少。

五、实验结果

（1）根据演示结果分析各单元的流谱特性。

（2）在实验各单元显示的流谱中，有的部位产生了分离、漩涡，解释这些现象发生的原因，试通过边界层基本概念分析原因。

六、思考题

（1）通过观察各单元的流谱特性，说明漩涡区与水流能量损失的关系，同时获得对各种水流条件下能量损失的感性认识。

（2）空化现象为什么常发生在漩涡区中？请指出演示设备中的急变流区。

（3）卡门涡街具有什么特性？其对绕流物体有怎样的影响？