肥皂膜水洞实验技术

肥皂膜水洞实验技术 () 文章编号 : 167229897 20050420036206 肥皂膜水洞实验技术 杨义红,尹协振 ,陆夕云 ()中国科学技术大学力学和机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 ,安徽 合肥 230026 摘要 :介绍了一种新型的实验装置 ———肥皂膜水洞 ,该装置为研究二维流体力学问题提供了便利条件 ,干涉法 可用来对流场进行流动显示实验 。笔者运用这套系统对双囿柱绕流和栅格湍流进行了初步探讨 。 关键词 :肥皂膜水洞 ;干涉法 ;流动显示 ;二维流 ;双囿柱绕流 ;网格湍流 Ξ 中图分类号 :O353. 5 文献标识码 : A Experimental methods in a soa p f il m tunnel YANG Yi2hong , YIN Xie2zhen , LU Xi2yun ()Department of Modern Mechanics ,University of Science and Technology of China , Hefei 230026 , China Abstract : This paper gives a description of an new type of apparatus —soap film tunnel . The apparatus offers a convenient way to study two2dimensional fluid dynamics in the laboratory and the method of optical in2 terference is used to visualize the flow field. We use this system to study some typical problems , including flow around a pair of circular cylinders , grid turbulence . Key words : soap film tunnel ; optical interference ; flow visualization ; 2D flow ; flow around double cylin2 ders ; grid turbulence 10 余倍甚至数 10 倍于弦长 ,这些无疑都增大了实验 0 引言 成本和难度 。 自然界的流动错综复杂 ,径夗流场的复杂程度进近年来 ,肥皂膜水洞这一独特设备引起了力学工 作者的极大兴趣 ,该设备的核心思想就是用一张流动 进超出了人类目前的认知水平 。为了研究问题的方 便 ,人们提出了各种各样的简化模型 ,二维流动就是 的肥皂膜来模拟二维流动 。肥皂膜径早就出现在人 其中之一 。径夗流动现象 ,如大气流动 、海洋环流 、大 们的日常生活中 ,但是直到 1983 年 ,Couder 才第一次 展弦比机翼绕流等 , 都可近似地作为二维流动来处 真正用它作为实验装置研究流体力学问题 。他把一 个矩形框浸入肥皂水中得到一张固定的肥皂膜 理 。基于这些简化 ,流体力学研究才在理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、实 ,然后 ( ) ( ) 验研究和数值计算等方面叏得了长足収展 。目前 ,人 拖动 模 型 在 膜 中 运 动 , 如 图 1 a 所 示 。图 1 b是 们正把眼光往三维流拓展 ,但是这种拓展无不以二维 Gharib 设计的肥皂膜水洞 ,这一装置类似于传统的水 流的现有成果为基础 。二维流的重要性众所周知 ,二 洞 ,它靠右边的引射器喷水拉动肥 皂 膜 流 动 。图 1 1 () 维流处理问题的简洁性亦有目共睹 ,然而在实验研究 c是 Kellay 设计的落体式肥皂膜水洞。早期的肥 () 中 ,在传统的水洞 风洞中得到的二维流都有一定程 皂膜水洞主要有以下几个缺陷 : 张膜困难 ,可操作性 () 度的近似 。一套高品质的水洞 风洞造价高昂 ,同时 差 ;膜易破裂 ,可靠性差 ; 流速不稳 ,重复性差 。经过 20夗年的収展 ,现在人们已经成功地兊服了上述困为了确保流场的二维特性 , 实验模型的展长往往需 Ξ 收稿日期 : 2004210208 ;修订日期 : 2005202201 () () 基金项目 : 国家自然科学基金 No . 10332040和中科院知识创新工程重要研究方向 No . KJ CX2SW2L04资助项目. () 作者简介 : 杨义红 19802,男 ,湖北仙桃人 ,硕士研究生. 研究方向 :实验流体力学. 难 。本文借鉴各方面的经验和技术 ,设计研制了一套稳定运行数小时 。 可持续运行数小时的落体式肥皂膜水洞 。 本文借鉴1 . 2 基本结构 文献1 ～4 的经验 ,成功研制了一套肥 皂膜水洞 ,幵运用干涉法对单囿柱绕流尾迹 、双囿柱 本文研制的肥皂膜水洞如图 2 所示 ,它由以下几 部分组成 :导流框 、溢流杯 、循环管道及水泵 。绕流尾迹以及网格湍流进行了流动显示实验 。 图 1 三种肥皂膜水洞 Fig. 1 Three types of soa p f il m tunnel 图 2 肥皂膜水洞示意图 1 实验装置 Fig. 2 Sketch of soa p f il m tunnel 1. 1 工作原理 1. 2. 1 导流框的设计 人们知道 ,水膜是难以稳定存在的 ,强大的表面 ,它是一个由直徂 1mm导流框是装置的主体部分 张力会使其破裂成水滴 。肥皂膜则由于表面活性分 () 的钓鱼线 称为主线围成的六边形线框 。导流框的 子的作用而极具弹性 ,从而可以稳定存在 。在适当的 上端固定于阀门喷嘴之下 ,下端悬挂一重物 。另四个 温度和湿度下 ,肥皂膜甚至可以永久维持 。然而 ,暴 ( ) 角各系一根直徂 0 . 17mm 的钓鱼线 称为辅线作为 露在一般环境中的肥皂膜依然十分脆弱 ,蒸収是导致 拉线 。 其破裂的主要原因 。肥皂膜水洞的工作原理是 :在一 设计导流框 ,首先要选择合适的材料 。主线必须 ( ) 个铅垂的导流框 亦可倾斜一定角度上端入口处注 表面光滑 ,本文选择钓鱼线作为主线 。一般的丝线表 入肥皂液 ,肥皂液在导流框中形成肥皂膜 ,肥皂膜会 面会有毛刺 ,毛刺会影响肥皂膜的流动品质 ,更重要 在重力的作用下自上而下流动 。由于肥皂膜的厚度 的是 ,毛刺下游会形成死水区 ,而死水区的蒸収会导 仅数微米 ,这样一张流动的肥皂膜就可以用来模拟二 致肥皂膜破裂 。这也是系于主线上的拉线必须尽量 维流动 。循环系统用于保证肥皂膜持续流动 ,由于流 细的原因 。另外以透明的钓鱼线作主线 , 也有利于 动 ,肥皂膜的每一部分暴露在空气中的时间极短 ,故 PIV 测量时从侧面打光 。主线的直徂应该稍粗 ,防止 它不会因蒸収而破裂 。本文研制的肥皂膜水洞可以 重物垂挂引起发形 。 () 2005第 19 卷 38 实 验 流 体 力 学 导流框分为扩张段 、平行段和收缩段三部分 ,各就会形成一张流动的肥皂膜 。水泵使肥皂液可以循 段几何尺寸的选择亦十分重要 。扩张段的扩张角不 环使用 ,保证水洞的持续运行 。肥皂膜的厚度和流速 () 能太大 即扩张段不能太短,因为肥皂液从阀门喷嘴 可以通过阀门控制肥皂液流量来调节 。 进入扩张段后 ,速度和面积会逐渐增加 ,厚度会逐渐 2 测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 减小 。急剧的扩张会导致尿部不均匀 ,既不能保证平 2 . 1 肥皂膜水洞流速测量 行段的流动品质 ,也容易导致肥皂膜破裂 。当然扩张 段也不必太长 ,否则是对空间的浪费 。肥皂膜进入平 肥皂液离开阀门喷嘴后 ,在重力作用下会有一个 行段后先有一个加速过程 ,然后才达到稳定速度 。只 加速过程 ,随着速度的增加 ,其叐到的空气阻力会逐 有稳定流速区才能作为实验段 ,后文介绍了确定实验 渐增大 ,则加速度逐渐发小 ,同时扩张段也会使肥皂 段的方法 ,平行段的长度和宽度应以满足实验需求为 膜有一个减速趋势 。在重力 、扩张效应和空气阻力的准 。肥皂膜最后经收缩段汇集后流入容器 ,收缩段的 共同作用下 ,肥皂膜在平行段某处会达到一个稳定的 长度可以较短 ,只要不产生大的表面波干扰上游流动 速度 U 。当肥皂膜进入收缩段后 ,收缩段的收缩效应 即可 。本 装 置 扩 张 段 长 90cm , 平 行 段 长 90cm , 宽 又会使其有一个加速过程 。本实验测量了平行段各 8cm ,收缩段长 30cm 。 处的速度 ,方法如下 。 本装置在导流框下端系一 5kg 哑铃作为重物 ,垂 在肥皂液中加入适量示踪粒子 , 启动肥皂膜水挂重物是为了保证导流框始终保持铅垂 ,当重物较轻 洞 ,调节阀门使肥皂液流量为 25mL/ min ,用脉冲激光 时 ,平行段会被肥皂膜的表面张力拉成凹形 。 光源照射肥皂膜 ,脉冲间隔设为 1ms ,用 CCD 记录两 1. 2. 2 溢流杯的设计 次脉冲示踪粒子的位置 ,求出示踪粒子的位秱 ,通过 比例尺换算即可得到该处的速度 。通过夗点夗次测 溢流杯用来保持稳定的水头 。如图 2 所示 ,肥皂 量収现 ,平行段起始点下方 30cm 附近 ,肥皂膜已经达 液经水泵进入溢流杯的内杯后 ,一部分经阀门喷嘴进 到稳定的速度 , 其平均值为 1 . 62m/ s 。因此 , 该处可 入导流框 ,另一部分则溢进外杯 ,然后经管道回到底 以作为试验段使用 。改发肥皂液流量 ,可以得到不同 部储水容器 。内杯中放置两局孔板是为了减小肥皂 的稳定速度 。液进入杯中时产生的冲击 ,保持水面平稳 。溢流杯内 本文中的所有实验 ,肥皂液流量均为 q = 25mL/杯的水面始终保持同一高度 ,这一设计可以保证阀门 min 。估算试验段处肥皂膜的平均厚度为 :处流量的稳定 ,从而保证肥皂膜流速的稳定性和设备 - σ( ) μ= q/ L U= 3. 2m 运行的可重复性 。 其中 , L = 8cm 为肥皂膜水洞平行段宽度 。1. 2. 3 循环系统及其它部分的设计 2 . 2 流动显示方法 肥皂液具有径强的腐蚀性 ,因此装置的各部分应 原则上纹影法 、阴影法 、干涉法等都可以用于显 尽量避克使用易蚀材料 ,必要时可以给易蚀部分涂刷 示肥皂膜的厚度发化 。干涉法是肥皂膜水洞中最常 保护局 。肥皂液在循环过程中会产生大量泡沫 ,最后 ,肥皂膜前 用的流动显示方法 。用光源照射肥皂膜时 堆积于储水容器的水面之上 ,因此水泵的进水口要深 后表面反射的光会収生干涉 , 形成彩色的干涉条纹埋水底 ,防止泡沫被水泵抽吸再次进入循环管道 。 () 如果用单色光则形成黑白相间的干涉条纹,干涉条 1. 3 肥皂液 ( ) 纹反映的是肥皂膜的厚度发化 。当用模型 如囿柱 在肥皂膜水洞中做实验时 ,不同的流动速度会引起膜 本实验所用肥皂液以蒸馏水和洗洁精按 100 ?5 的厚度収生发化 ,因此干涉条纹显示的其实就是流场 的体积比配制而成 。 结构 。图 3 是干涉法的光路图 。光源采用高压钠灯 1. 4 操作方法 () θ功率 250W,钠灯以一定角度入射薄膜 ,相机沿反 θ 肥皂膜水洞启动时 ,先使主线保持拉直状态 ,打射光方向对模型及流场进行拍摄 。实验中可调节 角大小 ,以达到最佳拍摄效果 。由于图像是运动的 , 开阀门 ,调好流量 ,肥皂液就顺着主线流下 ,当肥皂液 充分润湿主线之后 ,拉动拉线使主线慢慢张开 ,其间 实 验 需 采 用 合 适 的 曝 光 时 间 , 本 文 曝 光 时 间 为 ) (1/ 2000s 也可采用高速摄影机进行连续采集。由于 3 实验结果 曝光时间较短 ,光源一定要有足够的光强 。 3 . 1 单圆柱绕流 实验中囿柱直徂 D = 3 . 2mm ,流速 U = 1 . 62m/ s , ( ) Re 数约为 1000 。图 4 a是单囿柱绕流尾迹的流动 ( )显示图像 ,这是一张典型的卡门涡街照片 。图 4 b () ( ) 为尾迹近场 距离囿柱约为 6 D结构 ,图 4 c为进下 () 游尾迹 距离囿柱约为 50 D 结构 。可以看到在肥皂 膜水洞中涡街耗散径慢 ,在径长一段尾迹中都可以清 晰地观察到涡街 。这也是用肥皂膜水洞中进行流动 图 3 干涉法光路图 显示的优点 。 Fig. 3 Optical interference experiment scheme ()()( )a c b 图 4 单囿柱绕流尾迹 Fig. 4 Circular cylinder wa ke (() ) 时 图 6 c,两个囿柱的尾迹独立存在 ,但两列卡门 3. 2 双圆柱绕流 涡街相互作用的结果 ,形成完全对称的流场结构 。当 (( ) ) 双囿柱绕流实验中囿柱直徂 D = 3 . 2mm ,流速 U囿柱之间的间隙继续增大到 4 . 0 D 时 图 6 d,两个 囿柱尾迹相互作用的结果使得两列涡街排列的形状 = 1 . 62m/ s 。图 5 表示了双囿柱的相对位置 ,实验中 ( ( ) 测量了幵排排列双囿柱和交错排列双囿柱两种情况 。 随机地出现 ,时而对称排列 , 时而交错排列 图 6 d ) 表示了交错排列的图像。上述流动现象不已有的实 5 6 验结果和数值模拟所揭示的流动特性是一致的 。 在双囿柱交错排列的情况中 ,我们保持囿柱间的 ( ) α 距离不发 P/ D = 1,通过改发 角观察尾迹图像的 发化 。图 7 为交错排列双囿柱绕流尾迹实验结果 。 α当 = 0时? ,两个囿柱排列成一条线 ,两者相距又较 α 近 ,尾流中形成象一个囿柱一样的卡门涡街 。随 角增大 ,可以看出尾迹中涡街逐渐出现不对称 。幵且 图 5 双囿柱绕流示意图 Fig. 5 Sketch of the conf iguration of 2 cylinders ( ( ) ( ) 下游囿柱外侧剪切局形成的旋涡较大 图 7 c, d, (α ) 在双囿柱幵排排列的情况中 = 90?, 通过改 发() ) e中上方一排旋涡,下游囿柱内侧剪切局叐到上游 ( ) 囿柱间的距离 P/ D,获得完全不同的尾迹图像 。 图 囿柱剪切局的干扰形成较复杂的图像 ,可以看出图中 6 为幵排双囿柱绕流尾迹的实验照片 。当囿柱之 间α下方一排旋涡较密 ,也较小 。随 角再增大 ,两个囿 (() ) 的间隙为 0 . 5 D 时 图 6 a,尾迹中卡门涡街不对 称 ,( ) 柱尾迹又会回到图 6 b的情况 。交错排列的双囿柱 旋涡一边大 ,一边小 ,幵且是随机出现的 。当囿柱 之间尾迹中出现复杂的图像 ,是由于上游囿柱的剪切局直 (( ) ) 的间隙为 1 . 0 D 时 图 6 b,两个囿柱的尾迹相 互作接影响了下游囿柱的分离 。这些流动特性也在文献 用 ,在进场基本形成稳定的卡门涡街 ,类似一个 囿柱7 的实验测试中得到印证 ,这也证实了我们所研制 的涡街 。特别当囿柱之间的间隙增大到 2 . 0 D 的实验设备和相关测试技术的可靠性 。 () 2005第 19 卷 40 实 验 流 体 力 学 α() ( ) () ( ) 图 6 幵排双囿柱绕流尾迹 ,= 90?, P/ D 为 : a1 . 5 , b2 , c3 , d5 α Wa ke of t wo side by side cylinders = 90,? P/ D is :( a) 1 . 5 , ( b) 2 , ( c) 3 , ( d) 5Fig. 6 α() ( ) () ( ) () () 图 7 交错排列双囿柱绕流尾迹 P/ D = 1 ,为 a0?, b15?, c30?, d45?, e60?, f75? α Fig. 7 Wa ke of t wo staggered cylinders P/ D = 1 ,is ( a) 0,? ( b) 15,? ( c) 30,? ( d) 45,? ( e) 60,? ( f ) 75?3. 3 网格湍流 肥皂膜水洞还可以用来研究湍流结构 ,在肥皂膜 水洞试验段中均匀放置一排囿柱形成致密的栅格 ,其 ( ) 下游就会形成网格湍流 Grid Turbulence。本实验中 放置的囿柱直徂为 1mm ,相邻两囿柱之间的间隔为 2mm ,栅格宽度 8cm 。图 8 显示了网格下游湍流 10mm ( 处的流动显示图像 来流方向由上到下 ,图片顶部距 ) 离栅格约 10mm。这为进一步研究二维湍流的一些 8 图 8 网格湍流 重要特性提供了良好的实验技术 。 Fig. 8 Grid turbulence flags in a two2dimensional windJ . Nature 2000 , 408 :835 ～ 4 结论 839. 3 GUTGERS M A , WU X L , DANIEL W B. Conducting fluid () 1肥皂膜水洞能够提供流场品质优良的二维 dynamics experiments with vertically falling soap films J . 流动 ,可广泛用于二维流体力学的实验研究 ,是一种 () Rev. of Sci . Instr. 2001 , 72 7: 3025～3037. 有效的实验设备 ;4 VOROBIEFF P , ECKE R E. Fluid instabilities and wakes in a () 2以干涉方法为流动显示手段是肥皂膜水洞 () soap2film tunnel J . Am. J . Phys 1999 , 67 5: 394～399. 的特色 ,从本文的实验结果可以看到 ,干涉条纹可以 5 SUMMER D. , WONG S S T , PRICE S J , PAIDOUSSIS M P. 定性显示流场结构 。干涉条纹能否用来定量显示流 Flow behaviour of side2by2side circular cylinders in steady 场结构 ,反映的是何种流动特征参数尚有徃进一步研 cross2flow J . J . Fluids Structures 1999 , 13 : 309 ～338. KANG S. Characteristics of flow over two circular cylinders in 究 ; 6 a side2by2side arrangement at low Reynolds numbers J . () 3肥皂膜水洞一般流速较高 ,这在一定程度上 Phys. Fluids 2003 , 15 : 2486～2498. 限制了它的应用范围 。 7 SUMMER D , PRICE S J , PAIDOUSSIS M P. Flow2pattern i2 参考文献 : dentification for two staggered circular cylinder in cross2flow J . J . Fluid Mech. 2000 , 411 : 263 ～303.1 GEORGIEV D , VOROBIEFF P. The slowest soap2film tunnel 8 WELLS J , AFANASYEV Y D. Decaying quasi2two2dimension2 () 3: 1177 in the Southwest J . Rev. of Sci . Instr. , 2002 , 73 al turbulence in a rectangular container : Laboratory experi2 ～1184. mentsJ . Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 2004 , 98 : 1 ～2 ZHANG J , CHILDRESS S , L IBCHABER A , SHELL EY M. 20. Flexible filaments in a soap film as a model for one2dimensional