自由表面旋涡形成与演化机理的实验装置

摘要

本发明涉及一种自由表面旋涡形成与演化机理研究的实验装置，它包括圆筒、密封水槽、微型泵、流量调节阀和进水缓冲腔体，圆筒上部与进水缓冲腔体粘接一起，在圆筒中筒壁内侧设置一个起稳流作用的增阻海绵圈，该圆筒底部与一个出水管接头连接，该出水管接头与密封水槽的进水管接头通过粗管路连接，微型泵粘结于密封水槽底部，微型泵的出水口通过管路与流量控制阀连接，流量控制阀经管路通过一个四通管接头与进水缓冲腔体的一个入流口连接，该四通管接头通过三个三通管接头与进水缓冲腔体上周向均布的另三个入流口连接，圆筒筒壁上周向均布入流孔接通进水缓冲腔体。

说明书

技术领域

本发明涉及流体力学中自由表面流动问题的研究领域，特别涉及了一种自由表面旋涡形成与演化机理研究的实验装置。

背景技术

自由表面旋涡是水工建筑物进水口前常见的水力现象，在水电站引水管道、溢洪道、导流隧洞、泵站和船闸等进水口的上游表面时有发生。根据自由表面旋涡发展程度来看，分类方法很多，其中美国麻省Worcester综合研究所Alden实验室的分类方法较为明确，将其分为六种基本类型：表面涡纹、表面旋涡、染色旋涡、挟物旋涡、间断吸气旋涡以及连续吸气旋涡，特别是最后两种吸气旋涡，给工程建筑物和设备带来严重危害。因此，自由表面旋涡气液两相流动的研究，不仅对流体力学中自由界面、涡动力学和流动稳定性问题的研究具有科学意义，而且为自由表面涡的控制和利用提供理论指导，亦具有工程应用价值。

为验证理论分析和数值模拟的结果，从机理研究的需求出发，涉及与研发了本实验装置，经检索，目前没有相关的申报专利。

发明内容

针对目前的研究情况，本发明的目的在于提供一种研究自由表面旋涡流动形成与演化机理的实验装置，该实验装置的尺寸小、能有效控制流动脉动的影响，且操作方便。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种自由表面旋涡形成与演化机理研究的实验装置，包括圆筒、密封水槽、微型泵、流量调节阀和进水缓冲腔体，其特征在于：所述圆筒上部与进水缓冲腔粘接一起，在圆筒中筒壁内侧设置一个起稳流作用增阻海绵圈，该圆筒底部与一个出水管接头连接，所述出水管接头与密封水槽的进水管接头通过粗管路连接；所述微型泵粘结于密封水槽底部，该微型泵的出水口通过管路与所述流量控制阀连接，该流量控制阀经管路通过一个四通管接头与进水缓冲腔体的一个入流口连接，该四通管接头通过三个三通管接头与进水缓冲腔体上周向均布的另三个入流口连接；圆筒筒壁上周向均布的入流孔接通进水缓冲腔体。

所述进水缓冲腔体周向均布的的入水管与圆筒上部的入流孔错位布置。

所述圆筒上部开口与外界大气相通，底部开有内螺纹与所述出水管接头旋接。所述圆筒由一个支撑架支撑，支撑架顶部有圆形凹槽与圆筒配置。

所述出水管接头通过密封圈与圆筒的出水口连接，保证无泄漏；出水管接头为一组除内孔径之外，其他结构尺寸一致的系列管接头。

除微型泵、连接管路、增阻海绵以及流量调节阀外，全部采用通光性良好的有机玻璃制作。

所述进水缓冲腔采用环状结构，保证圆筒上端与外界大气相通。

所述进水缓冲腔的入流孔与圆筒入流孔采用均布设置，并且使缓冲腔的入流孔口与圆筒入流孔错位布置，从而对入流起到缓冲、稳流作用。

所述出水管接头为一组不同内径相同外径结构的圆管，外径为突变径设计，且与圆筒连接为螺纹连接；与外接管路连接头部，加工倒角，方便管路的密封和装拆。

所述密封水槽进口加工倒角，水槽顶部开有出水管孔与电源线孔，而微型泵与密封水槽底部之间通过弹性吸盘进行固定，同时添加辅助固定，保证微型泵的振动对于密封水槽无影响。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：体积小，成本低，能够方便快捷的对自由表面旋涡的形成与演化过程进行实验观测与测量。

附图说明

图1为自由表面旋涡形成与演化机理研究的实验装置示意图(其中(a)图为主视图，(b)图为俯视图)。

图2为进水缓冲腔体结构示意图(其中(a)图为主视图，(b)图为俯视图)。

图3为圆筒结构示意图(其中(a)图为主视图，(b)图为俯视图)。

图4为不同内孔径的出水管接头结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参照附图1，本自由表面旋涡形成与演化机理研究的实验装置，包括圆筒3、密封水槽7、微型泵8、流量调节阀10和进水缓冲腔体1，所述圆筒3上部与进水缓冲腔1粘接一起，在圆筒3中筒壁内侧设置一个起稳流作用增阻海绵圈2，该圆筒3底部与一个出水管接头4连接，所述出水管接头4与密封水槽7的进水管接头14通过粗管路6连接；所述微型泵8粘结于密封水槽7底部，该微型泵8的出水口通过管路9与所述流量控制阀10连接，该流量控制阀10经管路11通过一个四通管接头与进水缓冲腔体1的一个入流口13连接，该四通管接头通过三个三通管接头与进水缓冲腔体1上周向均布的另三个入流口14、15、16连接；圆筒3筒壁上周向均布的入流孔17接通进水缓冲腔体1。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参加图1、图2、图3和图4，所述进水缓冲腔体1周向均布的入水管13、14、15、16与圆筒3上部的入流孔17错位布置。所述圆筒3上部开口与外界大气相通，底部开有内螺纹与所述出水管接头4旋接。所述圆筒3由一个支撑架5支撑，所述支撑架5顶部有圆形凹槽与圆筒3配置。所述出水管接头4通过密封圈与圆筒3的出水口连接，保证无泄漏；出水管接头4为一组除内孔径(d₂)之外，其他结构尺寸(H、D、d₁)一致的系列管接头。除微型泵8、连接管路6、9、11、增阻海绵2以及流量调节阀10外，全部采用通光性良好的有机玻璃制作。整个管路6、9、11系统采用硅胶圆管或橡胶软管柔塑性较好的管路构成，管路6、9、11与管接头4、12、13、14、15、16为过盈配合，保证流动的密封性。

工作过程为：首先将密封水槽7内灌满流体，其中，圆筒3内流体的高度可通过刻度尺测量进行标定，根据需要可以任意调节圆筒内流体的淹没深度。微型泵8通电之后即可工作，流体开始被输运，通过流量调节阀10来进行流量大小的控制，流体经过管路11流入进水缓冲腔体1中。进水缓冲腔体1的进口采用均匀分布的三通管接头14、15、16和四通管13构成，从而保证流入进水缓冲腔体1内的流体的均匀性，而进水缓冲腔体1的入流口13与圆筒3的入流孔17之间保正夹角α(为30°±10°)，从而流入缓冲腔体1的流体不至于直接通过圆筒3的入流孔17流入到圆筒3中，起到缓冲和稳流流体的作用；圆筒3的入流孔17也采用均匀布置结构，保证流体通过这些小孔均匀流入圆筒中。流体经过进水缓冲腔体1之后，经圆筒3的入流孔17流入到圆筒3中，一般情况流体是沿着圆筒3壁面流入圆筒3内，但整个循环的流量较大时，流入圆筒3中的流体速度越快，因此对液面冲击较大，通过添加起增阻作用的海绵圈2，有效的使流入圆筒中的流体稳定入流。流体通过底部的出水管接头4流出，特别的是，出水管接头4与圆筒底部孔口之间通过螺纹连接，并通过密封圈进行压紧密封，同时螺纹连接结构方便了研究不同内孔半径的实验方案。流体通过水管接头4流回到密封水槽7中，形成一循环回路。