（流体力学专业论文）水平肥皂膜水洞研制及其应用.pdf

摘要 摘要 肥皂膜水洞具有理想的二维流动特性，为研究二维流动现象提供了一个方便 的实验平台。为了研究小雷诺数下的二维不可压缩流动，我们研制了水平肥皂膜 水洞装置。该装置可以在水平段稳定区域内实现0 2 1 5 m s 的流动速度，并没 有明显波动。本文通过若干圆柱和丝线实验显示了该装置在研究小雷诺数流动方 面的独特优势。该装置还可以方便地用于流体力学教学实验。 本文的主要内容如下： 第一章简单介绍了肥皂膜特性，说明肥皂膜可以用于二维流场的实验研究。 并对历史上肥皂膜装置的发展演化做了系统概述。第二章详细介绍了我们自行研 制的水平肥皂膜水洞实验平台，包括肥皂膜水洞的结构与调试方法，以及在安装 和实验过程中需要注意的事项。第j 章介绍了肥皂膜水洞各主要参数的测量方 法，并介绍了我们研制的水平肥皂膜水洞几个主要参数的测量结果，给出了能够 进行实验的参数范围。第四章介绍了在我们研制的水平肥皂膜水洞中所做的几个 小雷诺数流动实验，并对实验现象进行了分析。第五章是结论，并对水平肥皂膜 水洞的应用前景作出了展望。 关键词：水平肥皂膜水洞小雷诺数流动显示圆柱绕流丝线摆动 a b s t r a c t s o a pf i l mt u n n e lp o s s e s s e s a ni d e a lc h a r a c t e r i s t i co ft w o d i m e n s i o n a lf l o w ， w h i c ho f f e r sac o n v e n i e n tw a yt os t u d yt w o d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cp h e n o m e n ai n t h el a b o r a t o r y t os t u d yt h ef l o w a ts m a l lr e y n o l d sn u m b e r ，w ed e v e l o p e da h o r i z o n t a ls o a pf i l ma p p a r a t u s i tc a ns u s t a i nam e a nf r e es t r e a mv e l o c i t y o f 0 2 1 5 m si ni t sp a r a l l e lt e s ts e c t i o na n dh a sn od i s t i n c tf l u c t u a t i o n t h i sa p p a r a t u s s h o w sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e so ns e v e r a lf l o wv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t s a ts m a l l r e y n o l d sn u m b e r a l s o i tc a nb ec o n v e n i e n t l yu s e do nh y d r o d y n a m i c st e a c h i n g e x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t si nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e rw ei n t r o d u c et h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo fs o a pf i l m st u n n e l b r i e f l y t h es o a p f i l mi sac o n v e n i e n tp l a t f o r mt oc a r r yo u tt w o d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t s a n dt h e nt h es y s t e m i cs u m m a r ya b o u tt h ed e v e l o p m e n t a n de v o l u t i o no fs o a pf i l md e v i c ei sg i v e n i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w ep r e s e n ta h o r i z o n t a ls o a p 蟊l mt u n n e ld e v e l o p e db yo u ro w n t h em a i nc o n t e n t s a r et h e c o n f i g u r a t i o na n d t h em e t h o d so nt e s to ft h et u n n e l ，a n ds h o ws o m en o t i c e so ns e r i n g u da n de x p e r i m e n t s 。i nt h et h i r dc h a p t e rw es h o ws o m em e t h o d so nm e a s u r i n gt h et e s t p a r a m e t e r si ns o a pf i l mt u n n e l s ，t h e ng i v eo u tm a i np a r a m e t e r so f o u rs o a pf i l mt u n n e l i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ef u l f i l ls o m ee x p r i m e n t sa tl o wr e y n o l d sn u m b e ri no u r h o r i z o n t a ls o a pf i l mt u n n e l a n a l y s i sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa r eg i v e n o u t i nt h el a s tc h a p t e r ，c o n c l u t i o na r em a d e ，a n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa r ea l s o d i s c u s s e d k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls o a pf i l mt u n n e l ，s m a l lr e y n o l d sn u m b e r ，f l o wv i s u a l i z a t i o n ， f l o wo v e rc y l i n d e r , f l a p p i n gf il a m e n t i i 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 在实验室中模拟二维流动遇到的最主要问题是难以从三维不稳定流场中隔 离，因此，在这方面计算和理论研究多于实验研究。自从1 9 8 1 年c o u d e r l q 提出 肥皂膜的用途并做了验证肥皂膜装置特性的一系列实验后，肥皂膜从此作为研究 二维流动比较理想的实验平台，实验研究得到了重视。近一二十年里，不断有新 的实验装置与测量技术出现，发展和丰富了肥皂膜实验技术，使之成为定量研究 二维流场的有力工具。 1 1 肥皂膜介绍 人们知道，水膜是难以稳定存在的，强大的表面张力会使其破裂成水滴。肥 皂膜则由于表面活性分子的作用而极具弹性，从而可以稳定存在。在适当的温度 和湿度下，肥皂膜甚至可以永久维持。然而，暴露在一般环境中的肥皂膜依然十 分脆弱，蒸发是导致其破裂的主要原因。 肥皂膜在目光的照射下很容易观察到绚烂的干涉条纹，这使得肥皂膜很具有 诱惑力。历史上n e w t o n 和g i b b s 曾经对肥皂膜进行了研究并发表了很多文章； i s e n b e r g 2 l 和m y s e l s 等人口】对肥皂膜做了更详尽的研究，并且把肥皂膜应用于热 力学和流体力学稳定性的研究：c o u d e r 等人1 4j 分析了肥皂膜的稳定性，井把肥皂 膜成功地应用于流体动力学的实验研究。 进一步的研究【5 , 6 , 7 , 8 , 9 j 发现，肥皂膜是厚度一般在微米量级的一个薄层，其表 面特征尺寸是其厚度的1 0 4 到1 0 5 左右，在这个意义上可以把肥皂膜近似看成是 二维结构。图1 1 表示了肥皂膜的横断面示意图，肥皂膜上下两个表面和中间都 有表面活性剂的分子，表面活性剂的作用是使肥皂膜具有更大的弹性变形，能使 肥皂膜变得更薄并且能够维持更长的时间。当肥皂膜被缓慢拉伸时，中间的表面 活性剂分子会补充到上下两个表面。肥皂膜的厚度可以薄到1 0 0a 的数量级，这 时它处于熟力学的稳定状态，而我们日常看到的五颜六色的肥皂膜厚度在微米量 级，是处于亚稳状态的，由于蒸发最终也会变薄到1 0 0a 的厚度，这时看到的肥 皂膜由于相消干涉已不再是五颜六色而变成了黑色。 第一章绪论 图1 1 肥皂膜横断面示意副9 1 从上面的介绍中我们了解到，肥皂膜可以近似的看成是二维结构，因此，它 很可能具有理想的二维流场特性。如果在实验室获得持续流动的肥皂膜，将会为 实验研究二维流动现象提供方便。 1 2 肥皂膜装置的发展历史 为了在实验室进行二维流场的研究，流体力学的学者们用了各式各样的肥皂 膜实验装置来模拟二维流场并进行实验研究。图1 2 是早期肥皂膜装置的发展演 化过程，他们获得二维肥皂膜流场的原理各不相同，流场品质也有很大差异，下 面对其各自的原理和特点做具体介绍。 2 图1 2 肥皂膜装置发展示意图1 9 】( a c o u d e r1 9 8 1 ；b g h a r i b1 9 8 9 ；c k e l l a y1 9 9 5 ) 第一章绪论 1 9 8 1 年c o u d e r i 】第一个给出了肥皂膜作为二维流体动力学实验平台的严格 考查。他的实验装置是由一个固定矩形框架支撑出一个静止的肥皂膜( 图1 2 a ) ， 框架可以水平( c o u d e r ) 或竖直( d e w a r ) 放置。在静止的肥皂膜中形成二维流 场有以下几种方法：重力引导、射流引导、固定框架在肥皂膜平面内的振动、在 肥皂膜中拖动物体和电磁驱动。他的方法是在静止的肥皂膜中拖拽物体形成二维 流场。他在涡街稳定性方面有些研究成果，粗略计算了二维紊流中的旋涡。这种 由固定框架支撑出的静止的肥皂膜缺点是由于蒸发和泄水很容易破碎，并且由于 蒸发和泄水，不能够做定态的测量。 随后发展了能够流动的肥皂膜，g h a r i b 等人扣j 于1 9 8 9 年发明了由水的射流引 导的肥皂膜( 图1 2 b ) 。它在一个储水池中拖拽出肥皂膜，沿着h 0 性的轨道一真 引到由水形成的射流上，很像一个常规的风洞。它的原理是利用肥皂膜和水表面 张力的差异引起肥皂膜的流动。这种形式的肥皂膜解决了由于蒸发和泄水引起的 破碎问题，它可以持续运行相对比较长的时间，但是仍然存在很多缺点：张膜比 较困难，流速不稳并且不易调节，表面张力差异的数值限制了肥皂膜在厚度为 6 “m 的情况下流速只能达至i j 3 0 c m s ! j 。 k e l l a y 等人f 6 j 于1 9 9 5 年发明了由自身重力引导的竖直的有新鲜肥皂液补充 的肥皂膜。为以后获得稳定持久的肥皂膜通道开辟了一条新思路。如图1 2 c 所 示，两根金属丝线的一端接到上面肥皂液容器的底部，另一端接有重物，并把重 物放于下面的容器中。肥皂液通过一个小孔沿金属丝线流出形成了肥皂膜。肥皂 膜竖直向下加速，可以维持在每秒几百厘米的一个速度。上面的容器不断有新鲜 肥皂液的补充，肥皂膜能够持续运行很长的时间，流场稳定，并且具备比较好的 二维特性，很适合用于二维流场的实验研究。缺点是由于重力作用在这种装置上 形成的肥皂膜流速较快，无法进行低速的二维流场实验研究，肥皂膜的流速和宽 度也不容易控制。并且，肥皂液通过孔并不能够很均匀的传播到柏根丝线上，这 样形成的肥皂膜也非常不均匀。 近七八年，肥皂膜装置有了突飞猛进的发展，在可操作性和流场品质等方面 得到了很大的提高，下面介绍三个典型的肥皂膜装置。 3 第一章绪论 a ) b ) e t ；1 f ) f i + 京 酽鞫 i i l l i i j 图1 3 竖直肥皂膜水洞示意图【9 1 ( r u t g e r se t a l 2 0 0 1 ) r u t g e r s 等人于2 0 0 1 年改进了竖直肥皂膜装置，图1 3 为该装置示意图。它与 k e l l a y l 拘竖直肥皂膜通道相比，主要改进了三个地方：1 ) 引导线是从喷嘴中张 开，肥皂液能均匀地流到两根引导线上，形成的流场更稳定；2 ) 把肥皂膜通道 分成了三个部分( 扩张段、平行段、收缩段) ，在平行段上能够获得稳定的来流 速度；3 ) 独特的引线设计能够很容易的张开肥皂膜。 从上面的储水器a ) 开始。肥皂溶液因压差彳p 被送进进水管b ) ，流量计量 阀门c ) 控制由进水管进入喷嘴d ) 的肥皂液流量。两根单股尼龙绳引导线e ) 从 喷嘴里面张开，两组更细的尼龙牵引线f ) 连接到引导线上并把它们分开。当溶 液从喷嘴中排出的时候，由于重力作用使得它们沿着引导线依次经过扩张段i ) 、 平行段i i ) 和收缩段i i i ) 。肥皂膜最终从张紧引导线的重物g ) 上流到下面的回收 容器h ) 中。 如果肥皂膜破碎了，只要把牵引线松开，重物会自动把引导线拉紧并使两根 引导线靠在一起。当足够的肥皂液从喷嘴里流经整条引导线时，再把牵引线拉开， 在两根引导线上就形成了新的流动的肥皂膜。 4 第一章绪论 图1 4 竖直肥皂膜水洞示意图j ( 杨义红2 0 0 5 ) 我们实验室的杨义红借鉴前人的经验，于2 0 0 5 年成功研制了一套竖直肥皂膜 水洞( 图1 4 ) ，并运用干涉法对单圆柱绕流尾迹、双圆柱绕流尾迹以及网格湍流 进行了流动显示实验。这套装置对上面的储水器进行了改进，他采用了带有溢流 装置的储水器，如图1 4 所示。肥皂液经水泵进入溢流杯的内杯后，一部分经阀 门喷嘴进入导流框，另一部分则溢进外杯，然后经管道流回到底部储水容器。这 一设计使得溢流杯内杯的水面始终保持同一高度，可以保证阀门处流量的稳定， 从而保证肥皂膜流速的稳定性和设备运行的可重复性。内杯中放置两层孔板是为 了减小肥皂液进入杯中时产生的冲击，保持水面平稳。 空气阻力是所有肥皂膜研究中遇到的问题。空气阻力是除了内部粘性力之外 附加的有机械耗散作用的力，它导致了在肥皂膜流动控制方程中出现额外项。如 果这一项与内部粘性力相比可以被忽略，控制方程可以看成是二维n s 方程， 表面张力起主要作用；但是，如果空气阻力超过了内部粘性力的影响，就不再是 二维n s 方程了。肥皂膜越薄速度越快，空气阻力的影响就越严重。c h o m a z 1 2 】 已经严格证明，当肥皂膜流速低于弹性波传播速度时肥皂膜流动很好地遵循二维 不可压缩n s 方程：当肥皂膜流速高于弹性波传播速度时遵循二维可压缩e u l a r 方程。 由于重力作用，竖直肥皂膜的来流速度比较大，空气阳力对流场的影响不能 5 ；专 第一章绪沦 忽略，就不再符合二维n s 方程。另一方面由于来流速度比较大，难以获得比较 小的雷诺数，无法进行小雷诺数下的二维流场的实验研究。 为了解决上述问题，g e o r g i e v 于2 0 0 2 年发明了由自身重力引导的水平的肥 皂膜，它是根据l o sa l a m o s 的由重力驱动的带有倾角的实验装置改装的。l o s a l a m o s 尽管获得了很大的成功，但在某些流动状态下仍然存在一些问题：速度 波动，肥皂膜松垂，肥皂膜破裂。l o sa l a m o s 的肥皂膜通道的几何参数是固定的， 这使得这些问题始终得不到解决，所以g e o r g i e v 主要的设计工作是肥皂膜通道 几何参数的可调整性。 图1 5 水平肥皂膜水洞示意图i 3 1 ( g e o r g i e v ，2 0 0 2 ) 如图1 5 所示，肥皂膜通道的框架由三个独立的部分组成，其中的两部分是 竖直支柱。另一部分是一个2 7 m 的横梁，连接在两个竖直横梁的中心线上。横梁 与水平面的夹角可以从0 0 调至t j 3 0 0 。横梁的距地板的高度也可以调整。 肥皂膜通道的各组成部分都恰当地附着在这个框架上。上面是装有肥皂液的 储水器，由一个有简陋过滤功能的，底部带有阀门的带盖漏斗组成，连接到其中 一个竖直支柱上，并且高度可以调节。下面的蓄水池，是一个长的开口容器，安 装在横粱上。由水泵把肥皂液从下面的蓄水池送到上面的储水器中。水泵的功能 是保持下面的蓄水池在实验过程中接近干涸，上面的储水器保持一定的水位( 不 考虑蒸发损失) 。肥皂膜悬挂于两根尼龙绳上( 也可以称为主线) ，直径o 7 8 m m 。 在肥皂膜通道的下游。这两根线连接到一个拉伸弹簧上，弹簧保证主线在合并与 张开时都处于张紧状态，肥皂液能够顺畅的流动。在肥皂膜通道上游，这两根线 连接到一个横截面为椭圆形的一个喷嘴上。喷嘴连接在一个支撑系统上。并且装 配位置在这个支撑系统对称面的两个方向上可调。个塑料管道把喷嘴连接到上 6 第一章绪论 面盛肥皂液的储水器的底部，这个管道用来控制肥皂液的流量。 这个装置有特色的改进部分是引线拉伸系统( 图1 6 ) 。不同于以往所有的 肥皂膜装置，他们的肥皂膜不是只局限在一个平面内。引线系统是在肥皂膜四个 支撑处用非常细的尼龙线( 直径2 0um ) 在两个方向上牵引。其中一个方向上的 引线使主线远离肥皂膜装置对称面，另一方向上的引线调节支撑点的高度。具体 操作方法是把肥皂膜平行段卜游的一对支撑向下拉，把下游的一对支撑向上拉。 这个设计有两个重要的改进。第一，通过调整上游和下游的每一对支撑高度，肥 皂膜侧倾可以被消除，这保证了流速场的对称性。第二，可以单独调整肥皂膜三 个部分( 扩张段，平行段和收缩段) 与水平面的夹角。这个改进对形成慢速，稳 定、极小化松垂和流速波动非常重要。他们观察到最好的结果是当肥皂膜扩张段 和收缩段的夹角都大于平行段的夹角。增大收缩段的夹角对肥皂膜平行段的平面 度有很大影响，没有这个倾角，肥皂膜不出现松垂时平行段与水平面最小的夹角 为8 0 。 图l 。6 弓l 线拉伸系统示意图【1 3 1 ( g e o r g i e v , 2 0 0 2 ) 这套装置的原理是通过阀门调节流量用来控制肥皂膜的来流速度，肥皂膜由 于重力作用依次经过扩张段、平行段和收缩段汇集到下面的容器中，然后经由水 泵把肥皂液重新输送到一卜面的容器中，从而保持肥皂膜能够持续运行。 实验中他们发现了肥皂膜三部分一个比较好的几何参数是：扩张段的长度一 从喷嘴末端到上游支撑0 5 6 m 。倾角为3 0 0 ：平行段长1 3 5 m ，倾角从0 5 0 ( 接近水 平) 到l o o 间可调：收缩段长0 3 3 m ，倾角也为3 0 0 。 他们实验中用的肥皂液由9 8 的自来水( p h7 3 ) 和2 的液体家用洗沽精混 合而成。肥皂膜持续的时间不能确定，从早上开始延续整个工作时间还没破裂。 流量从0 1 o 7m l s 可调，当平行段倾角为0 5 0 宽度为8 c m 与之相对应的流速是 4 0 - 9 0c m s ，当倾角为6 0 时，流速是5 0 - - 1 4 0 c m s 。 7 第一章绪沦 下面两幅图是g e o r g i e v 实验中测量的两种不同流量下肥皂膜平行段的来流 速度和厚度分布情况。 从图1 7 中可以看出，肥皂膜的速度场很大程度上受到肥皂膜厚度的影响。 对于薄的肥皂膜，空气阻力导致了流场边界层外的速度均匀分布，而对于厚的肥 皂膜，速度场接近于一个抛物线。 从图1 8 中可以看出，在平行段三个区域的厚度变化很小，靠近两根鱼线的 边界层厚度梯度很大，而中间部分的厚度基本保持不变。 8 图1 7 肥皂膜实验段三个横断面的速度分布【1 3 】 图1 8 肥皂膜实验段三个横断面的厚度分布【1 3 】 帮= 章宴端平台的结构b 删矾 第二章实验平台的结构与调试 参照o e o r g i e v i ”1 t - 2 0 0 2 年研制的由自身重力0 【导的水、m 皂h 葵，我们设计 制造丁一台水平肥皂膜水洞。它结合了以往肥皂麒装置的根多优点可以在平行 段稳定阻域内实现o2 i5 m s 的流动速度，井没有明显波动。本章主要介绍实验 平台各部分的安装神目试要求并提卅了需要注意和改进的地方。 21 实验平台的结构 实验平台山水平肥皂膜水洞装置和测量系统组成圈2i 为水、m b 皂脱水洞 的结构示意i 冬】，图2 2 为水平肥皂膜水洞的实物照片。 211 水平肥皂膜水洞 罔2l 水，f 肥皂麒水洞小意图 图22 肥鬯膜小洞装置实物目 翻 掣d 麴 第一罩实验平台的结栅与调试 准备材料角钢、水泵、塑料管道、储水器、刊门、喷嘴、鱼线、弹簧、水 池、洗洁精等。 水平肥皂膜水洞由由支撑框架、肥皂膜通道和驱动部分组成，下面作具体介 绍。 支撑框架山角钒连接而成，螺钉螺母吲接，棱角处使用三角铁加固。框架总 体尺寸k25 m ，宽05 m ，高1 m 。其中柏叫个高度q 咀调节的横粱用来调节肥它 膜通道三个部分的倾角，在奉实验中叫个横粱距地【h i 的高度分别为13 5 m ， 07 3 m ，09 m ，05 m 。 肥皂膜通道部分由两根并行表面光滑的尼龙鱼线张成，附着在支撑框架上， 鱼线( 称为主线) 长23 5 m 直径o8 r a m 。肥皂膜通道上游有个糟溢流装置的 储水器，储水器下端有一个旧 与喷嘴相连，阀门用于控制肥皂液的流量。f 游 有一个用于盛肥皂溶液的水池。主线一端与l 游储水器下面的喷嘴相连，另一端 与f 游横粱巾点的一个弹簧相连。这时土线与水平i a 】的必角为3 0 。肥皂膜通 道通过两组直径为o l m m 的细尼龙引线张引，剧23 为肥皂膜通道张开时的情形。 张开的肥皂膜通道包含三个部分从喷嘴出口川始依次为扩张段、平行段和收缩 段，其1 一扩张段长07 5 m ，与水1 r 面的夹角为3 5 。，平行段长i i5 m ，宽1 0 c m ， 与水平确】接近平 魈醐蚍。 塑黧 图23 肥皂n 通道部分 驱动矗| f 分由水泵和管逊组成水泵扬柯为2 m 放胃在肥皂膜通道l 、游特有 肥皂液的水池中。水泵出水口连接有一条塑料管道，通往肥皂膜通道r 游的带有 溢流装置的储水器的内杯中，这就形威了肥皂膜通道供水部分；溢出到储水嚣 外杯的肥皂液通过另条管道l 司流到下面的水池巾- ，使得肥皂液在这两条锃1 道中 能够循环流动。 另外，肥皂液用门柬水和沈沾精混台而成，体积比为1 0 ：1 ，在r 伽几个章 器孵一鬻 节所涉及的实验巾部是使用的这个配方。 几个要注意的地方：( 1 ) 蛐闫2 , 4 所币，为慢肥皂浓均匀的流到两根_ l = 线t ， 喷嘴出口选择圆形或椭圆形，出口_ 人小要合适刚好容得下两根并排的主线为直； ( 2 ) 为使主线和引线对流场的影响尽量小，主线和引线表面要光滑，并且与土 线相比引线要尽量地细：( 3 ) 水1 肥皂膜流场列肥皂膜通道侧倾非常敏感，为避 免肥皂膜通道侧倾，每细引线颁在两根鱼线的同位置处打结，并且长度要相 等，分别对称地连接到中l 刈的两根横粱上；( 4 ) 肥皂液在循环过程中会在闸水管 道束端产生大量池冻，最后堆积于储水容器的水面ze ，固此水池要有足够的深 度，水泵的进水口要深埋水底，防止泡沫被水泵抽吸再次进入循环管道。 212 测量系统 圈 鬻 国24 主线与峨嘴的连接 准备材料和仪器光源、平面镜、数码丰日机、高速摄像机、爿降台、电动进 给装置、宴验台、带剥度的k 了等。 测量方法采用光学测量。光源由一t 盏交流高压钠灯组成，如 纠2 5 所示。每 盏灯与三棚四线交流电的一相棚接，保证流场州刻部被照亮。由于实验段( 肥皂 膜平行段) 足水平放置的，为了力便照明与图像接收存肥皂聪平干段正p 方放 置了面与水平面成4 5 。角的镜f ( 尺寸l m o7 m ) 。丈骑州数码相机( m i n o l t a d i m a g e7 i ) 和高速摄像机( w e l n b e r g e rs p e e d c a m p r o ) 拍摄流动图像。实验中 高递摄像机采用每秒i5 0 0 帧拍摄肥皂膜流场( i2 8 0 2 5 6 像素) 能牡得到瞬时 的褙晰的流场结构。 另外配有升降台、电动进给装置、实骑台乖带秆刻度的尺于方便完成各类实 验。 辩 章宜骑平竹的结掬与侧试 升降台：刊降台用米放置圆柱，在需要渊前尉杠或始线间距的实验中，升许 台用柬放置电动进给装置。我t l 】选用( f j s i 降台的可调高度范围为8 2 5 c m ，实验 中升降台上要铺一层黑色塑刳纸防止高亮反光影响扪撮的质量，如图2 , 6 所示。 电动进给裴置：在需要调节圆柱或丝线间距的虫验。p 要用到电动进给装置 我们选州如图2 7 所示的电动进给装置。水平平行段的宽度为i o 实验中网 柱的直径也在毫米量级，而电动进给装置最大进给量为i5 c m ，能够满足实验需 要。 实验台在肥皂腆、f 行段正下方放置实验台，丈骑台_ _ l c 】高度根据平 了段的 高度和升降台的高度合埋选择。在肥皂i | ；l 术张开时实验台小要触发鱼线，肥皂月c 张j 时，肥皂膛、 行段j 实验台的高度姜耍容得下升降台的高度。肥皂膜怅”叫 肥皂膜平行段的高度为o8 m 我们选用的吏验台的高度为06 m 。 尺子：为r 确定肥皂月葵流场的放夫倍数，在每次实验叫都要拍摄标尺，幽此 要选用反光较好井带有刻度的尺子。 图26 川罐台 弟= 章实验1 t 青的结构与调试 22 实验平台的调试 图27 电功进给城置 实验平台安装完成艋按以下步骤进行调试。 】纠、境要求：实验前关i 训实验室所有门宙，拉上窗帘，减小外界的震动、空 气流动、噪声和光的干扰，【划此最好选择在晚上做盘验：温度要求在室温2 5 左i 比较台适。 2 配制肥皂溶浓向水池注入适量的水，然后按照1 0 ：i 的l b 例加入洗浩粘 充分搅拌混合j 静置以缶后续实验。 3 调整肥皂膜框架在不启动肥皂膜水洞的情况f 把两纽引线托开，张开一 个空的主线框架，用肉眠栅略观察框架自无明显侧倾。出现侧倾的原因人体上有 以下几种：( 1 ) 横粱倾向删：( 2 ) 横粱上的两个挂钩币对称；( 3 ) 一j l 线“鱼线 上自滑动( 4 ) 引线长度不相等。调整好之后再们动肥皂膜水涮。 4i j 动肥皂膜水洞：开通水泵电源，椅商供水管逆自无湔液、塞情况。等 储水器的肥皂液溢出时，检盘【旦| 水鹤道是否有漏液和塞晴况n 发现刈题要 及叫切断水泉电源并调棼修复。供水和同水管道稳定运行后开启储水器阀 等 肥皂液流通鱼线叫把曲封1 引线分别拉川张丌肥皂膜，返材就形成r 肥皂膜水洞。 调节合适的流量使流场稳定。 5 调整肥皂脱水洞肥皂脱张段对流场品质影响根大，实验中要佩证扩张 段不能有恻倾，这也能够保证肥皂腱中间有足够宽的均匀区域。8 e 皂膜二f 涉条纹 能反血其厚度信息，打开光源，仔细观察扩张段的干涉彖纹是雨对称。出现不对 称的主要原因是喷嘴出口处的流量小均匀，流量水均匀的原因有以下几种：( 1 ) 喷嘴偏向其中一根鱼线( 2 ) 喷嘴出口有气泡：( 3 ) 喷嘴被堵塞。检查并调整。 图2 8 是我们实验中拍摄的扩张段的1 涉条纹。从图中i 以看出，肥皂膜巾 间的均匀区域最宽，两边的肥皂膜厚度相对于- ，司区域对称这说明扩张段没有 第二章真骑平台的结构与制甙 明显侧倾 | 渊 图28 水制扩张段干涉条纹 6 光路 测显系统的布置与渊节这里所说的光路是指光游、f 嘶镜和高速 摄像 _ jl t l 成的图像接收系统光路。把平【a 】镜安置丁平行段正上力爿1o 水平面成 4 5 度船，于钠灯光源亮度高光强小均匀，要在7 t 源前山加卜一【】毛玻璃散光。 把而迎摄像机固定1 二脚架上然后把光年h 迎摄像机分别摆放在平面镜前方 两侧。接通岛速摄像机电源，把高速摄像机的输出端j l 乜腑输入端棚近，启动电 脑，启动高谴摄像机控制软什训节高速摄像机参数1 0 + 8 ，1 0 2 4 2 5 6 像秉抽 挝频率每秒i5 0 0 帧。调整光源和r o ，述摄像机的位置与晶度，侄光源的入射光线 羊摄像机的接收光线处存川一水、f 7 l n 】内。扪丌光源开；，绎过大约2 分钟的时日 钠剀光源己经逐渐变到最高亮度，把摄像机光圈悯到最大，稍微删节高速摄像机 的姿态仕肥皂膜进入摄像机的视野中，调熊厉就能清楚地石到流动的肥皂膜， 7 观察与1 - ! 录暖】托绕流先把刀降衍破嚣十实骑台j 。准籀太小合适的圆 柱( 曹米越级) 把圆柱嶝直定于平扳上( 可以在平扳上钻孔也可咀粘附在、r 板的边缘) 。丌 e 圆杜润沮后连同平板放置于列降台j ，“肥鬯膜平行段选择台 适的区域(般选择在她离扩张段与 “段连接处：凹寸肚米的f 游区域) 作为 丈驰段，硐节州降台的高度使啊拄刚好仲出肥皂脱。硐整平板帕横向位置，使圆 柱处。 肥皂膜巾闸稳定区域，再调黔高速擞像机c f | 位髓o 角度使鼬枉m 现在高 速摄像机的视野- h 然后涮节摄像机的光圈与焦跄，把拍摄m 域聚焦剖肥皂聪1 2 。 调节流量大小，使肥皂膜- 间自足够宽的稳定区域。一般来说在肥皂膜没有侧 倾，并且喷嘴出口浦湿均匀地流到两根土线上的情况下，流量越小稳定区域就越 宽。这州可以在电脑上的尚速摄像机软件中清楚地看到圆梓后产生的卡门涡街， 录制段 门涡街陶像。 剪一章空骑p 台的锚恂1 u 侧试 儿个翌注息的地方：( 1 ) 水池中的肥皂液要有足够的涞度使得水泵完全没在 其中；( 2 ) 开启肥皂膜水洞时，储水器阀门不能开的过人或过小，能使肥皂液自 然流通鱼线为宜，( 3 ) 避免用手或其他物体直接接触流动的肥皂腱( 4 ) 出于钠 灯光源的麓热量很大为了避免毛玻璃被烫裂，不要让光源持续工作太长时间。 般在1 5 分钟以内，锥次录制完成后要立即关闭光源，过段时间再准备下一次 的录制( 5 ) 存保证能接收到图像的前提f ，入荆角要尽量调小( 6 ) 圆 _ i _ 外表 【f i 】要光惜，( 7 ) 恻柱润部后要在边缘处忡入肥皂膜，仲八肥皂膜不宜过多( 8 ) 每次实验前把实验台与爿降台l 的肥皂液擦拭净。 改进的地方：在肥皂膜水洞扩张段与平行段连接处，采用了两条引线平缓过 度，圈29 表示引线系统改进后的肥皂膜装置示意图。图210 ( a ) 和( b ) 分别 表示采用单引线和双引线过渡，其卟上面较柑的线为肥皂膜通道的牛线，下面较 细的线为引线。在只用一组引线连接i 竹陆| 兄f ( 幽2l o a ) ，拐角比较陡，采用阿 纽引线后( 圈21 0 b ) 就把个陡的拐角变成了两个比较缓的亍j ；角。刚2i i 可 以看到莱h 单引线和双引线过渡的宴驰效果。当只用组引线时，肥鬯膜在拐角 处容易产生较大突起( 圈2l 】a ) ，这使得肥皂渣狠容易偏流向其中侧鱼线，造 成肥皂艘流场的不均匀、不稳定，肥皂膜容易破裂等后果，返极大影响，删电h 夔 水洞流场铀质。当采用两胡引线u n 肥皂膊彳i 两个拐角处的突起明显变小( 图 2 】b ) e 皂膊更贴近鱼线，这使州流场蹙得更均匀更稳定，肥皂膜持续日f 自j 更 k ，稳定肛域更宽，并流迷的范围得到了根人的扩展。 图29 日a 线系统改赶【后的姨置示意嘲 罔21 0 肥乜脾扩张段一j 1 - 行段的过渡( a ) 单引线，( b ) 般_ | 线 【o i 第一苹宴验平台的结构与训试 ( b ) 围21 1 单引线与坝0 线n 散果对比( a ) 巾引线，( b ) 职引线 水实验平台的优点有：( 1 ) 方便侧节通过调节横粱的高度或引线的长度， 肥皂膜通道的三个部分与水平面的倾角可随意渊擎。( 2 ) 运行稳定，由于小断有 新囟y 溶液的补充，当外界扰动比较小时，般可以持续稳定运行儿个小”寸，自足 够的时问完成实验。( 3 ) 整个肥皂股装置版材简平，经济。( 4 ) 利用向像素的高 速摄像机与数码相机，可以得到清晰的图像。 第三章肥皂膜水洞参数的确定 第三章肥皂膜水洞参数的确定 3 1 肥皂膜实验参数测量方法 肥皂膜实验中，需要对肥皂膜的流量、流速、厚度、粘性系数等进行定性或 定量的测量。 3 1 1 流量的测量 流量大小直接影响肥皂膜的流速和厚度，因此也影响肥皂膜的流动品质。流 量过大时肥皂膜经过扩张段后在平行段上会出现波动，流场不再是二维层流结 构：流量过小，流场很不稳定肥皂膜极容易破碎。因此，实验中需要控制肥皂膜 有合适的流量，通常的测量方法是在肥皂膜通道上游的阀门处安装流量计。 3 1 2 流速的测量 在由重力驱动的竖直或者水平肥皂膜水洞中，当肥皂液离开阀门喷嘴后，本 身有一个初速度，在重力作用下还会有一个加速过程。随着速度的增加，肥皂膜 受到的空气阻力会逐渐增大，使加速度逐渐变小，同时扩张段的扩张效应也会使 肥皂膜有一个减速趋势。在重力、扩张效应和空气阻力的共同作用下，肥皂膜在 平行段某处稳定区域中达到一个稳定的速度v 。当肥皂膜进入收缩段后，收缩段 的收缩效应又会使其有一个加速过程。改变肥皂液流量，可以得到不同的稳定速 度。实验中需要对平行段稳定下来的流速v 进行测量。 p t v 方法； ( 1 ) 利用探针测速器可以进行单点的速度测量进而表现全场的速度特性； ( 2 ) 在肥皂液中加入适量示踪粒子，启动肥皂膜水洞，调节合适大小的肥 皂液流量，用脉冲激光光源照射肥皂膜，用c c d 记录两次脉冲时示踪粒子的位 置，求出示踪粒子的位移，通过比例尺换算即可得到该处的速度。 ( 3 ) 还可以利用高速摄像机拍摄到的图像，在图片上通过追踪肥皂膜上微 粒子的运动来计算肥皂膜的速度。这种直接测量速度的方法不仅很实用，而且还 消除了由于添加示踪粒子给肥皂膜的性质带来的影响。 3 1 3 厚度的测量 方法一：计算出了肥皂膜的流量和某横断面的平均速度，进而可以估算此 横断面肥皂膜的平均厚度： 盯= q i ( l u ) 1 8 第一章月e 鬯胯水涮参数的确定 其中，q 为肥皂膜通道的流量，为肥皂膜水7 同平钉段宽度，u 为平均速度。 方法一纹影法、阴影法、干涉法等都可以用于显示肥皂膜的厚度变化。其 中干涉法足肥皂膜水洞实验中最常用的流动显示方法。当用l 。】光光浦照射肥皂腆 时，肥皂膜前后表面反劓的光会发生干涉，形成彩色的干涉条纹。如果用甲色光 照明则形成亮暗相词的干涉条皱( 如削3i 所示) ，干涉条纹反映的足肥皂膜厚 腰的受化。 图0l 等厚干涉条垃( 叫柱直径d3 r a m 来流进鹰v = 08 m s 斟3 2 是干涉法的光路闭光源以一定角度口入射薄膜( 琦膜干涉要求小 射角) ，相机沿反射光 阳对模型及其附近流场进行拍摄。根据肥皂膜的流述， 实验需采用合适的曝光州问，比如l 10 0 0 秒或者更炳也可采辟 高建拯影机进 行迕续采集。 山于r 涉条纹的级数未知，这利，力法只能得驯条纹r s 3 的厚度差。川邻两条明 条纹或暗条纹问的薄膜厚度差为： a = 2 h 其qj 2 为 射光波长，月为肥皂液的折利率。 图32 薄膜下涉光路孙意阁【li ( 杨义红2 0 0 5 ) 蟪、l贬 湛一。 第三章肥皂膜水洞参数的确定 方法三：文献【1 4 】中提到的根据散射光的强度测量肥皂膜厚度的方法。在肥 皂液中加入二氧化钛示踪粒子，在均匀照明下，肥皂膜的厚度与反向散射光的光 强成比例。即 e = a i 其中，p 是肥皂膜厚度，j 为光强，a 通过积分表达式 t h = p j ? “( x ，y ) p ( 工，y ) d y = p 口r “( 工，y ) ( 工，y ) d y 获得，r h 为肥皂膜流量，p 为肥皂液密度，“为当地来流速度。 3 1 4 粘性系数的测量 粘性系数的测量通常是借助于单圆柱绕流实验，根据s t r o u h a i 数s t u n r e y n o u l d s 数r e 间的函数关系来确定的。 众所周知，在均匀来流中圆柱绕流的s t 数与r e 数存在以下关系： s t ：0 2 1 2 一4 5 r e 2 0 0 r e 。 ；卧9s t ：f d ，矛l lr e - - 堕；是脱涡频率；d 是圆柱直径：y 是来流速度：，是肥皂 y 膜的运动粘性系数。因此，只需要测定肥皂膜的来流速度和圆柱的脱涡频率厂 就能确定s t 数，进而通过上述公式计算出r e 数和粘性系数。 3 2 水平肥皂膜水洞参数的测量 肥皂膜水洞有以下几个重要的参量：流速矿、粘性系数衍口r e 数。 流速是由高速摄像机所拍摄的录像获得的，我们通过追踪肥皂膜中微粒子的 运动来确定来流速度。实验操作步骤为：启动肥皂膜水洞，打开钠灯光源，三分 钟后肥皂膜实验段被照亮，这时运行高速摄像机软件选择合适的拍摄频率进行图 像采集。先调大流量直到肥皂膜出现波动，然后再慢慢把流量调小直到肥皂膜破 碎，关闭阀门，然后拍摄比例尺，停止对流场的图像采集。这样就拍摄到了流量 从大n d , 的流场图像和比例尺。之后对流速进行计算，方法为：在采集到的较高 流量的录像里，找出肥皂膜没有波动并且均匀区域中含有微粒子的图片，通过比 例尺计算出微粒子的位移，数出发生这个位移经过的帧数，通过拍摄频率换算成 时间，就可以计算出较高流量下肥皂膜没有波动时的最高流速。用同样的方法计 算出肥皂膜破碎之前，并且有稳定流场时的最低流速。 经实验测量与计算，我们的水平肥皂膜水洞可以实现来流速度范围为0 2 - - 2 0 第一章肥皂膜水洞参数的确定 15 m l s ，并且没有明显波动。 在肥皂膜实验中确定实验r e 数是项团难的工作，其原因足膜的粘陆系数 墩难准确测量。众所周知，肥皂膜的结构由上下西层活t 牛剌膜和中间层水组 成，冈此肥皂膜的粘陛系数也由活性剂和水台成。这样肥皂膜的厚度就与粘性系 数有直接关系而膜的厚度又与流速和溶液f j 【方自关。为r 测试肥皂膜的r c 数 和桔性系数的范田，我们按照文献的方法做了单闭杜绕流的流场显示实验。 披上一章介绍的方法启动肥皂膜水洞在肥皂膜中削竖直放置一直径6 r a m 的圆柱，最制几段流速啪大到小时的阅柱绕流流场显示罔像。并拍f 标八。h 3 3 是次实验中我们用数码相机辅助拍摄的直径d - 60 r a m 圉柠流速由大到小时 尾迹的流场显示图像。 在本次实验巾发现，当来流迹度小于05 7 m 5 时，圆柱后的卡i 涡街消失( 图 33 d ) ，此时没自脱涡，用31 式无法进行计算，当米流速度超过i m s 时，圆杠 前表晰会出现反射波，如吲3 4 所示3i ，e 不再适。凶此我们的实验平台 的参数是从圆柱前表面反射渡刚消失到咧梓后涡街刚消失时的流遵范围内计算 得出的。 蟹。0 。r i 酒f 、譬( 。d ) z 。l i 1 融。i i 浔 圈33 即圆柱绕流流场盟示 第王章1 】_ _ _ 皂膜水捌参数的确定 囤3 4 单圆柱绕流圆柱前表丽的反射艘( 肛l3 m s 、d 一6 m m 表3i 是根据( 3 式【算得出的水_ 吾i 流速f 每个物埋星的值，其中剐出现 小脱涡时的r e 数芷用前一蚪刻的粘性系数估计的。 表3 1t - 圆杜绕流实驰数据 遗 锄柱直径1 采洫速度脱涡频苹 世动帖性 系数 ( 一j 1 05 f m2 s 1 ； 2 43 938 3 6 2 25 649 0 6 l68 5 54 0 7 67 3 5 ； l45 370 3 4 t32 772 8 1 1 1377 4 8 8 川小脱描 77 4 8 斟35 38 分别给出了频率s t 数，r e 数以及粘性系数v 随流速v 的变化 线。 - 撬盎 图3 5 诬度与g # 天系 o 1 8 o 1 7 0 1 6 0 1 5 坤d ，1 4 o 1 3 o 1 2 d1 1 第三章肥皂膜水洞参数的确定 0 5 50 6 00 6 5 1 4 0 1 2 0 1 0 0 n - 8 0 6 0 4 0 0 7 0o 7 s0 8 00 e s 仰，s ) 图3 6 速度与s t 数关系 -r e o 5 5o ，6 0o 6 5o f 7 0o 7 5o 8 0t 3 _ 8 5 v ( m s ) 图3 7 速度与r e 数关系 2 3 第三章肥皂膛水涮参数的确定 3 圈3 8 琏瞳+ m 性系数关系 由丁实验r e 数与流速，溶液眦方自较大关系， 般来说缚扶实验前应该先 进 r 单蜊柱绕流实验用( 31 ) 代来确定流动的r e 数。 33 圆柱粗糙度对肥皂膜水洞参数的影响 需要说明的是，按照上进力州、算卅的实验磐数受卧l 牲表【斫粗糙度的影响很人 1 小- 4 粗糙度的网柱所得出的数据也大小丰n 同。存测定实验平台参数的史验 中我们选h 的圆村= 是材质为高速工具钢钻杆( 黑色) 其表而粗糙度租小，更能 准确反映宴骑平