[发明专利]高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置

说明书

本发明涉及水动力学实验技术研究领域，更具体地，涉及一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，包括实验方腔、驱动装置及透空束状绕流式奇点影响消除装置；驱动装置位于实验方腔底部紧贴实验方腔内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置设于实验方腔底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔角点处速度间断的影响。通过透空束状绕流式奇点影响消除装置对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。

技术领域

本发明涉及水动力学实验技术研究领域，更具体地，涉及一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置。

背景技术

方腔环流是流体力学中的经典实验，也是计算流体力学中的经典算例，可以反映旋涡、复杂三维流动、紊流等复杂流体现象，由于其广泛的工业应用和科研价值，得到了各方面的广泛关注，因此，方腔环流实验的建设完备对于科学研究和工业应用都具有很高的价值。

通常在方腔环流实验中，通过驱动装置对实验方腔上表面流体进行驱动，往往存在两个问题。一是随着实验的进行，由于皮带附着水滴或者水流溅起，实验方腔内水体总量减少导致驱动皮带与水体间存在空隙，影响驱动效果。二是由于驱动皮带带动的上表面驱动流体具有较高的流速，然而在侧壁边界上由于紧靠边界，流速为零；因而在沿顶部驱动方向的方腔两侧壁与顶部水平面交界处存在速度突然由大变为零(或由零变大)的奇点构成的两条棱。于是在小范围内流体速度突变奇点，甚至流动反弹，造成实验较大误差；在研究和计算中也很难通过有效手段进行优化模拟，影响方腔环流实验的可行性。

现有技术中常采用方腔注水溢出，驱动皮带浸没于溢出水面的方法来解决问题一，但是高速运转的皮带造成溢出水面振荡也会引起方腔内实验的较大误差；采用圆弧面替代方腔两侧壁与顶部交界的两条棱来消除速度奇点的影响以解决问题二，但该方法不便于调控，针对不同雷诺数、不同强度的驱动流，固定圆弧面的改进实验方腔很难针对性地、有效地消除速度奇点的影响。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中速度奇点影响的缺陷，提供一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，能对奇点的速度突变进行缓冲，消除速度奇点的影响，减少奇点因素对方腔环流实验的不确定性影响，突出方腔环流流场各阶旋涡相互影响转化的物理本质。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，包括实验方腔、驱动装置及透空束状绕流式奇点影响消除装置；驱动装置位于实验方腔底部紧贴实验方腔内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置设于实验方腔底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔角点处速度间断的影响。

驱动装置位于实验方腔底部，从实验方腔底部驱动流体流动，保证驱动装置与实验方腔水体间不存在空隙。

上述方案中，通过透空束状绕流式奇点影响消除装置对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。

优选地，还包括设于实验方腔顶部的注水补水装置，注水补水装置与实验方腔顶部通过小孔连通。实验前通过注水补水装置进行注水使实验方腔内充满实验流体，实验中需要补水时以极慢的流速从小孔向实验方腔内补水，进而确保实验方腔内水量充足，水体与方腔顶部不存在空隙。

进一步优选地，注水补水装置与实验方腔顶部中心通过小孔连通，且小孔直径不超过实验方腔长度的1/50。小孔尺寸很小且位于实验方腔顶部中心，并且补水流速极慢，几乎不对水体产生扰动，对实验误差极小。