一种模拟兰金组合涡的实验装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种模拟兰金组合涡的实验装置及其操作方法，水槽呈空心圆柱体，水槽内部的底板竖直设有环形制荡舱壁，水槽与制荡舱壁同心设置，水槽底板的中心处安装有第一轴承；中心旋转体包括立柱和若干矩形叶片，立柱底部与第一轴承相连且垂直于水槽底板，立柱顶部设有与电机相连的变速箱，每个矩形叶片的一端均连接于立柱同时另一端均连接于旋转套筒的内壁，旋转套筒底端与水槽底板之间预留相应距离；滑轨的一端通过第二轴承与立柱上部相连，滑轨的另一端依次与制荡舱壁和水槽内壁相连，滑轨上设有可沿滑轨移动的皮托管。本发明专利技术既可观察重力场中兰金组合涡的自由面，又可实际测量涡的不同参数验证理论公式的正确性，加深学生对兰金组合涡的认识。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟兰金组合涡的实验装置及其操作方法
本专利技术涉及一种教学实验装置，具体涉及一种模拟兰金组合涡的实验装置及其操作方法。
技术介绍
在研究自然界中的一些涡旋时，如台风、旋风和江河湖海中出现的涡旋等，必须要考虑涡旋内的结构，在圆涡内部，流体如同刚体一样以一定的角速度绕圆心旋转，称为受迫涡。在圆涡外部，流体速度等于把此涡看成直涡线所感生的速度，流体速度与半径成反比，通常称为自由涡。整个流场是由受迫涡和自由涡组合而成，这样的涡称为兰金组合涡。以往的实验装置在探究兰金组合涡时，只是演示了涡的形成，且没有考虑到无穷远处的涡，不利于学生直观了解具体实验原理及过程。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种模拟兰金组合涡的实验装置及其操作方法，本专利技术通过改变一定半径处涡的速度，可近似达到无穷远处涡的状态，并定量探究兰金组合涡半径、速度和压强之间的关系，得到重力场中兰金组合涡的自由面。技术方案：本专利技术一种模拟兰金组合涡的实验装置，包括水槽、中心旋转体、旋转套筒和滑轨；所述水槽呈空心圆柱体，水槽内部的底板竖直设有环形制荡舱壁，水槽与制荡舱壁同心设置，制荡舱壁上设有若干平均分布的开孔，水槽底板的中心处安装有第一轴承；所述中心旋转体包括立柱(例如采用圆柱)和若干矩形叶片，所述立柱底部与第一轴承相连且垂直于水槽底板，立柱顶部设有与电机相连的变速箱，所述各个矩形叶片沿立柱对称设置，且每个矩形叶片的一端均连接于立柱同时另一端均连接于旋转套筒的内壁，旋转套筒底端与水槽底板之间预留相应距离(该距离使得旋转套筒内外的水流连通，且内外的水压保持平衡)；所述滑轨的一端通过第二轴承与立柱上部相连，滑轨的另一端依次与制荡舱壁和水槽内壁相连，滑轨上设有可沿滑轨移动的皮托管；其中，电机驱动立柱转动，进而旋转套筒随整个中心旋转体旋转。进一步，所述制荡舱壁的直径略小于水槽的直径，且制荡舱壁的高度小于水槽的高度，旋转套筒的高管小于制荡舱壁的高度。进一步，所述矩形叶片的数量为8，旋转套筒与旋转中心体的各个矩形叶片之间形成相对封闭的空间。进一步，所述电机通过支架架设于水槽顶端，所述滑轨表面设有长度刻度。本专利技术还公开了一种模拟兰金组合涡的实验装置的操作方法，包括以下步骤：(1)根据实验要求，向水槽内注水至适当水位，即使得旋转套筒内外水位持平；(2)打开电机开关，通过变速箱减速后，中心旋转体带动旋转套筒旋转，由于矩形叶片的分隔，旋转套筒内的水在水平方向固定约束做刚体运动，同时水流在旋转套筒底部与外部水压保持平衡；当自由涡流经制荡舱壁后，速度近似为零达到无穷远涡流状态；(3)待涡流稳定后，不断移动滑轨上的皮托管，测量记录不同涡流半径处的涡速度，观察重力场中兰金组合涡的自由面。有益效果：通过本专利技术既可以观察重力场中兰金组合涡的自由面，又可以实际测量涡的不同参数，验证理论公式的正确性，加深学生对兰金组合涡的认识。附图说明图1为本专利技术整体结构的俯视图；图2为图1中沿A-A方向的剖视图；图3为实施例中兰金组合涡的速度与压强分布图；图4为实施例中重力场中的兰金组合涡的自由面。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。如图1和图2所示，本专利技术的模拟兰金组合涡的实验装置，包括水槽1、中心旋转体2、旋转套筒4和滑轨8；水槽1呈空心圆柱体，水槽1内部的底板竖直设有环形制荡舱壁9，水槽1与制荡舱壁9同心设置，制荡舱壁9上设有若干开孔(自由涡流经制荡舱壁9的相应开孔后，速度近似为零，达到无穷远涡流状态)，水槽1底板的中心处安装有第一轴承3；中心旋转体2包括立柱2-1和若干矩形叶片2-2，立柱2-1底部与第一轴承3相连且垂直于水槽1底板，立柱2-1顶部设有与电机5相连的变速箱6，各个矩形叶片2-2沿立柱2-1对称设置，且每个矩形叶片2-2的一端均连接于立柱2-1同时另一端均连接于旋转套筒4的内壁，旋转套筒4底端与水槽1底板之间预留相应距离；滑轨8的一端通过第二轴承11与立柱2-1上部相连，滑轨8的另一端依次与制荡舱壁9和水槽1内壁相连，滑轨8上设有可沿滑轨8移动的皮托管10；其中，电机5驱动立柱2-1转动，进而旋转套筒4随整个中心旋转体2旋转。为便于观察实验过程，水槽1可由透明亚克力玻璃制成，制荡舱壁9的直径小于水槽1的直径，且制荡舱壁9的高度小于水槽1的高度，旋转套筒4的高管小于制荡舱壁9的高度。同样为便于观察实验，中心旋转体2的立柱2-1和矩形叶片2-2，以及旋转套筒4均由PVC透明硬板制成，这样还能延长使用寿命及节省制作成本；矩形叶片2-2的数量为8，旋转套筒4与旋转中心体的各个矩形叶片2-2之间形成相对封闭的空间。电机5通过支架7架设于水槽1顶端，滑轨8表面设有长度刻度；整体结构上，滑轨8一端通过第二轴承11与中心旋转体2相连，滑轨8另一端依次分别与制荡舱壁9和水槽1固定连接。在制荡舱壁9两侧的滑轨8上分别安装有一个皮托管10来测量涡速(即制荡舱壁9与水槽1槽壁之间、以及制荡舱壁9与旋转套筒4之间分别设有一个皮托管10)，皮托管10沿着滑轨8滑动，通过读取滑轨8上对应的刻度来记录该水涡对应的涡半径和涡速。本专利技术还公开了一种模拟兰金组合涡的实验装置的操作方法，包括以下步骤：(1)根据实验要求，向水槽1内注水至适当水位，即使得旋转套筒4内外水位持平；(2)打开电机5开关，通过变速箱6减速后，中心旋转体2带动旋转套筒4旋转，由于矩形叶片2-2的分隔，旋转套筒4内的水在水平方向固定约束做刚体运动，同时水流在旋转套筒4底部与外部水压保持平衡；当自由涡流经制荡舱壁9后，速度近似为零达到无穷远涡流状态；(3)待涡流稳定后，不断移动滑轨8上的皮托管10，测量记录不同涡流半径处的涡速度，观察重力场中兰金组合涡的自由面。实施例1：本实施例中的模拟兰金组合涡的实验装置的操作方法为：根据实验要求，向水槽1内注水至适当水位使得旋转套筒4内外水位持平。然后打开电机5开关，通过变速箱6减速后，中心旋转体2带动旋转套筒4内的水一起运动。由于矩形叶片2-2的分隔作用，旋转套筒4内的水在水平方向固定约束，近似做刚体运动。流体速度为：v＝ω·r，式中ω表示中心旋转体2的旋转角速度，r表示实验计算点到中心圆柱体中轴线的距离。流体速度与距离(皮托管10到中心立柱2-1中轴线的距离)成正比，这种结构的涡称为受迫涡。在旋转套筒4外部，流体速度等于把整个旋转套筒4看成直线涡所感生的速度：式中r表示皮托管10到中心圆柱体中轴线的距离，Γ表示涡管强度。流体速度与半径(皮托管10到中心立柱2-1中轴线的距离)成反比，这种结构的涡称为自由涡。在圆涡边界上速度应该是连续的，即所以Γ＝2πωr2。其中，自由涡区域压强为：式中p表示皮托管10处流体压强，p∞表示无穷远处流体压强，ρ表示流体密度。受迫涡区域压强为：式中U表示实验计算半径r处的速度由于内外区域在旋转套筒4底部内外相通，所以压强连续，旋转套筒4处压强为：式中p0表示旋转套筒4处的流体压强，R表示旋转套筒4的半径。待涡流稳定后，即可达到旋转套筒4内外涡速连续的状态。不断移动滑轨8上的皮托管10，分别测量记录不同涡流半径处的涡速度，代入公式计算对应半径处的压强，绘制兰金组合涡的速度和压强分布图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟兰金组合涡的实验装置，其特征在于：包括水槽、中心旋转体、旋转套筒和滑轨；所述水槽呈空心圆柱体，水槽内部的底板竖直设有环形制荡舱壁，水槽与制荡舱壁同心设置，制荡舱壁上设有若干平均分布的开孔，水槽底板的中心处安装有第一轴承；所述中心旋转体包括立柱和若干矩形叶片，所述立柱底部与第一轴承相连且垂直于水槽底板，立柱顶部设有与电机相连的变速箱，所述各个矩形叶片沿立柱对称设置，且每个矩形叶片的一端均连接于立柱同时另一端均连接于旋转套筒的内壁，旋转套筒底端与水槽底板之间预留相应距离；所述滑轨的一端通过第二轴承与立柱上部相连，滑轨的另一端依次与制荡舱壁和水槽内壁相连，滑轨上设有可沿滑轨移动的皮托管；其中，电机驱动立柱转动，进而旋转套筒随整个中心旋转体旋转。

【技术特征摘要】
1.一种模拟兰金组合涡的实验装置，其特征在于：包括水槽、中心旋转体、旋转套筒和滑轨；所述水槽呈空心圆柱体，水槽内部的底板竖直设有环形制荡舱壁，水槽与制荡舱壁同心设置，制荡舱壁上设有若干平均分布的开孔，水槽底板的中心处安装有第一轴承；所述中心旋转体包括立柱和若干矩形叶片，所述立柱底部与第一轴承相连且垂直于水槽底板，立柱顶部设有与电机相连的变速箱，所述各个矩形叶片沿立柱对称设置，且每个矩形叶片的一端均连接于立柱同时另一端均连接于旋转套筒的内壁，旋转套筒底端与水槽底板之间预留相应距离；所述滑轨的一端通过第二轴承与立柱上部相连，滑轨的另一端依次与制荡舱壁和水槽内壁相连，滑轨上设有可沿滑轨移动的皮托管；其中，电机驱动立柱转动，进而旋转套筒随整个中心旋转体旋转。2.根据权利要求1所述的模拟兰金组合涡的实验装置，其特征在于：所述制荡舱壁的直径小于水槽的直径，且制荡舱壁的高度小于水槽的高度，旋转套筒的高管小于制荡舱壁的高度。3.根据权利要求1所述的模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，李兰岚，刘红旭，盖达伊·奥里格，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32