一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置制造方法及图纸

一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置，由玻璃装置组件、实验台、进水管道、回水管道、水箱、离心泵、脚轮、计算机控制系统、流体边界层分离的CFD仿真系统和荧光示踪仪组成；玻璃装置组件由两块钢化玻璃夹着不同形状的有色塑料组成，可观察不同曲面对边界层分离现象的影响；流体边界层分离的CFD仿真系统包括启动界面、参数设置和查看结果三个模块，在实验过程中可同时查看CFD仿真结果。本发明专利技术实现了计算机控制系统对装置进行控制操作，可直观地观察、测量与分析边界层分离现象，并且能分析曲面和进口流速对边界层分离现象的影响，可实时对比CFD仿真结果和实验结果，加深学生对边界层分离现象的认识、理解和应用。

A visualization experimental device for fluid boundary layer separation with CFD simulation system

A visualized experimental device for fluid boundary layer separation with CFD simulation system is composed of glass device component, experimental platform, inlet pipe, return pipe, water tank, centrifugal pump, caster, computer control system, CFD simulation system for fluid boundary layer separation and fluorescence tracer. The glass device component is composed of two toughened glass sandwiched with different shapes of colored plastics, which is considerable The CFD simulation system of fluid boundary layer separation includes three modules: start-up interface, parameter setting and viewing results. The results of CFD simulation can be viewed at the same time during the experiment. The invention realizes the control operation of the device by the computer control system, can observe, measure and analyze the boundary layer separation phenomenon intuitively, and can analyze the influence of the curved surface and the inlet velocity on the boundary layer separation phenomenon, can compare the CFD simulation results and the experimental results in real time, and deepen the students' understanding, understanding and application of the boundary layer separation phenomenon.

【技术实现步骤摘要】
一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置
本专利技术属于流体机械领域，具体涉及一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置。
技术介绍
当流体流经固体时，由于粘滞力的作用，在靠近固体表面的流体会出现边界层，由于雷诺应力的影响，使边界层厚度沿来流方向不断增加，流体微团堆积，压力的持续增加迫使流体微团反向移动，随即出现边界层分离现象。边界层分离是目前工程流体力学教学大纲中的一个重要知识点，尤其在流体机械设计与运维过程中，由于流体边界层分离现象会危害设备的运行，所以学生和相关工程技术人员需要充分认识、理解、分析与利用流体边界层及其分离现象的原理。在现有的流体边界层分离理论知识的教学中，一方面，学生仅仅通过课本和老师的讲解进而理解流体边界层分离的理论知识或借助计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics—CFD)相关软件仿真分析流体边界层分离现象，但不能通过实验直观地观察、测量与分析流体边界层分离现象；另一方面，学生仅仅通过简单的实验观察流体边界层分离现象，并没有通过CFD相关软件仿真分析流体边界层分离现象；这两种教学方式都不能使学生更好地认识流体边界层分离现象和理解流体边界层分离的理论知识。为了达到深化教学改革的目的，既可以通过实验的方法，让学生自己动手操作与观察，又可以采用CFD相关软件对边界层分离现象进行模拟仿真分析，将CFD数值模拟结果和实验结果进行对比，使得学生对边界层分离现象和边界层分离理论知识有更进一步的理解，所以需要一种既可以直观地观察、测量与分析边界层分离现象，又可以与CFD仿真结果对比的实验装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对流体边界层分离现象教学中存在的缺陷，提供一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置。本专利技术既可以直观地观察、测量与分析边界层分离现象，并且可以同时观察曲面和进口流速对边界层分离现象的影响，又能实时对比CFD数值模拟结果和实验结果，通过实验和CFD辅助的方法促进学生更好地认识流体边界层分离现象，对于进一步探讨与研究流体边界层分离现象起到很大作用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置，其特征在于由玻璃装置组件、实验台、进水管道、回水管道、水箱、离心泵、脚轮、计算机控制系统、流体边界层分离的CFD仿真系统和荧光示踪仪组成；玻璃装置组件通过凹槽安装在上侧框架上，实验台下侧放置水箱、荧光示踪仪、离心泵、进水管道和回水管道；玻璃装置组件由圆柱绕流装置、文丘里与孔板流量计装置、闸阀装置和弯管装置组成，根据塑料组成的不同形状而分为不同的装置，都是由两块厚度为10毫米的钢化玻璃夹着5毫米不同形状的有色塑料，圆柱绕流装置中有色塑料的形状是圆柱和不规则柱体，圆柱包括底部绕流圆柱和中部绕流圆柱，底部绕流圆柱由许多小圆柱组成等距排布在圆柱绕流装置底部，中部绕流圆柱由一个大圆柱构成排布在圆柱绕流装置中上部，不规则柱体包括第一底部挡板、第一底部分流柱、中部分流柱、第一侧挡板和第一顶部分流柱，第一底部分流柱等距排布在圆柱绕流装置下部，中部分流柱等距排布在底部绕流圆柱之上，水从第一进水口流进，由第一底部挡板挡住继续往上流动，在上流的过程中先流过第一底部分流柱，因为第一底部分流柱小且多，则把刚流进的水分成很多股流，继续流动，流到底部绕流圆柱，水流经底部绕流圆柱时，在其表面形成边界层，随着流动继续进行产生边界层分离现象，流过底部绕流圆柱水汇集在一起，流到中部分流柱，水被分流，流到中部绕流圆柱处，形成边界层，随着流动又产生边界层分离现象，经过第一顶部分流柱，从第一侧出水口流出，由于玻璃板夹的厚度很小，所以便于观察水流动的情况和产生的边界层分离现象；文丘里与孔板流量计装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第二侧边框和第二顶部分流柱，第二侧边框通过对称排布在文丘里与孔板流量计装置左右两侧构成文丘里与孔板流量计的曲面，水流从第二进水口流进，流经文丘里与孔板流量计的曲面，在流动的过程中，由于曲面中心间距一直在变化，流动则一直在改变，可以很明显地在曲面上观察到边界层的形成与分离现象，流到第二顶部分流柱，从第二侧出水口流出；闸阀装置中有色塑料的形状是球体和不规则柱体，球体包括绕流球阀，绕流球阀排布在闸阀装置中部，不规则柱体包括第三底部挡板、第三底部分流柱、第三侧边框和第三顶部分流柱，水一样地从第三进水口流进，首先由第三底部挡板挡住继续往上流动，经过第三底部分流柱实现分流，来到由第三侧边框和绕流球阀组成的闸阀曲面，形成边界层分离现象，经过第三顶部分流柱最后从第三侧出水口流出；弯管装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第四侧边框和第四顶部分流柱，第四侧边框分别排布在弯管装置上下两侧，构成弯管的曲面，水流从第四进水口流进流过由第四侧边框组成的弯管曲面，经过第四顶部分流柱，最后从第四侧出水口流出，流体流经弯管弯曲的两个地方有明显的边界层分离现象；装置底部都留有出水口和进水口，通过软管与进水管道和回水管道相连接。进一步地，所述的计算机控制系统包括计算机主机、显示屏、压力传感器、速度传感器、电动阀门、压力传感器连接线、速度传感器连接线和电动阀门连接线，计算机主机放置在实验台下部右侧，利用隔板与水箱隔开，显示屏、键盘和鼠标放置在实验台上部右侧，压力传感器包括压力传感器探针和显示器，压力传感器探针通过螺钉安装在玻璃装置组件内部上下两端，显示器通过压力传感器连接线与压力传感器探针连接，计算机主机通过压力传感器连接线与压力传感器连接，在显示屏上可直接读取所测得压力值，速度传感器包括速度传感器探针和显示器，速度传感器探针通过螺钉安装在玻璃装置组件内部上下两端，显示器通过速度传感器连接线与速度传感器探针连接，计算机主机通过速度传感器连接线与速度传感器连接，在显示屏上可直接读取所测得速度值；电动阀门通过电动阀门连接线与计算机主机连接，操作人员可在显示屏的控制界面上控制阀门的开度从而控制玻璃装置组件的工作状态，可以自由选择任意一个或多个装置进行实验，并且可以控制进口流速大小，进一步地分析出不同进口流速对边界层分离现象的影响，无需手动开启阀门。进一步地，所述的流体边界层分离的CFD仿真系统其功能主要是在玻璃装置组件进行流体边界层分离的实验时可查看预先存储的由FLUENT软件对同样的玻璃装置组件在与实验相同的工况下进行CFD仿真模拟的结果，方便实时与实验结果进行对比，从而更有效地进行流体边界层分离的实验教学，使得学生更深入地理解流体边界层分离的理论知识；流体边界层分离的CFD仿真系统是基于VisualBasic6.0软件对其进行操作界面的设计，以FLUENT软件为辅助工具，其包括启动界面、参数设置和查看结果三个模块，首先启动流体边界层分离的CFD仿真系统进入启动界面，点击启动界面顶部菜单栏的“设置”菜单进入参数设置界面，参数设置界面包括装置选择、进口流速选择和装置上观察点的位置选取，装置选择可从圆柱绕流装置、文丘里与孔板流量计装置、闸阀装置和弯管装置中选择，进口流速的选择范围是3m/s~21m/s,输入流体边界层分离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置，其特征在于由玻璃装置组件、实验台、进水管道、回水管道、水箱、离心泵、脚轮、计算机控制系统、流体边界层分离的CFD仿真系统和荧光示踪仪组成；实验台分为两部分，上部分为上侧框架，下部分为空心的长方体框架，玻璃装置组件通过凹槽安装在上侧框架上，长方体框架上放置水箱、荧光示踪仪、离心泵、进水管道和回水管道，长方体框架右侧利用隔板隔开放置计算机控制系统设备，实验台底部安装脚轮，方便整个装置移动位置；玻璃装置组件由圆柱绕流装置、文丘里与孔板流量计装置、闸阀装置和弯管装置组成，都是由两块厚度为10毫米的钢化玻璃夹着厚度为5毫米的有色塑料，圆柱绕流装置中有色塑料的形状是圆柱和不规则柱体，圆柱包括底部绕流圆柱和中部绕流圆柱，底部绕流圆柱等距排布在圆柱绕流装置底部，中部绕流圆柱排布在圆柱绕流装置中上部，不规则柱体包括第一底部挡板、第一底部分流柱、中部分流柱、第一侧挡板和第一顶部分流柱，第一底部分流柱等距排布在圆柱绕流装置下部，中部分流柱等距排布在底部绕流圆柱之上，文丘里与孔板流量计装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第二侧边框和第二顶部分流柱，第二侧边框通过对称排布在文丘里与孔板流量计装置左右两侧构成文丘里与孔板流量计的曲面，闸阀装置中有色塑料的形状是球体和不规则柱体，球体包括绕流球阀，绕流球阀排布在闸阀装置中部，不规则柱体包括第三底部挡板、第三底部分流柱、第三侧边框和第三顶部分流柱，由第三侧边框和绕流球阀组成闸阀的曲面，弯管装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第四侧边框和第四顶部分流柱，第四侧边框分别排布在弯管装置上下两侧，构成弯管的曲面，装置底部都留有出水口和进水口，通过软管与进水管道和回水管道相连接；计算机控制系统包括计算机主机、显示屏、压力传感器、速度传感器、电动阀门、压力传感器连接线、速度传感器连接线和电动阀门连接线，计算机主机与压力传感器和速度传感器连接，可在显示屏上直接读取实验中装置上观察点的压力值和速度值，计算机主机与电动阀门的连接可在显示屏的控制界面上控制玻璃装置组件的工作状态，无需手动开启阀门；流体边界层分离的CFD仿真系统可以直接查看装置CFD仿真结果，并与实验数据进行实时对比；进水管道从水箱出水口开始，连接离心泵，经过管道，管道上连接三通，三通螺纹连接变径管，进一步地接上电动阀门，变径管套上软管，接上装置中间的进水口，出水管道从装置的侧出水口开始，通过管道分支汇集成一个总管道，回到水箱进水口；荧光示踪仪安装在水箱的上部，可观测水箱水位和水的流动状态。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置，其特征在于由玻璃装置组件、实验台、进水管道、回水管道、水箱、离心泵、脚轮、计算机控制系统、流体边界层分离的CFD仿真系统和荧光示踪仪组成；实验台分为两部分，上部分为上侧框架，下部分为空心的长方体框架，玻璃装置组件通过凹槽安装在上侧框架上，长方体框架上放置水箱、荧光示踪仪、离心泵、进水管道和回水管道，长方体框架右侧利用隔板隔开放置计算机控制系统设备，实验台底部安装脚轮，方便整个装置移动位置；玻璃装置组件由圆柱绕流装置、文丘里与孔板流量计装置、闸阀装置和弯管装置组成，都是由两块厚度为10毫米的钢化玻璃夹着厚度为5毫米的有色塑料，圆柱绕流装置中有色塑料的形状是圆柱和不规则柱体，圆柱包括底部绕流圆柱和中部绕流圆柱，底部绕流圆柱等距排布在圆柱绕流装置底部，中部绕流圆柱排布在圆柱绕流装置中上部，不规则柱体包括第一底部挡板、第一底部分流柱、中部分流柱、第一侧挡板和第一顶部分流柱，第一底部分流柱等距排布在圆柱绕流装置下部，中部分流柱等距排布在底部绕流圆柱之上，文丘里与孔板流量计装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第二侧边框和第二顶部分流柱，第二侧边框通过对称排布在文丘里与孔板流量计装置左右两侧构成文丘里与孔板流量计的曲面，闸阀装置中有色塑料的形状是球体和不规则柱体，球体包括绕流球阀，绕流球阀排布在闸阀装置中部，不规则柱体包括第三底部挡板、第三底部分流柱、第三侧边框和第三顶部分流柱，由第三侧边框和绕流球阀组成闸阀的曲面，弯管装置中有色塑料的形状是不规则柱体，不规则柱体包括第四侧边框和第四顶部分流柱，第四侧边框分别排布在弯管装置上下两侧，构成弯管的曲面，装置底部都留有出水口和进水口，通过软管与进水管道和回水管道相连接；计算机控制系统包括计算机主机、显示屏、压力传感器、速度传感器、电动阀门、压力传感器连接线、速度传感器连接线和电动阀门连接线，计算机主机与压力传感器和速度传感器连接，可在显示屏上直接读取实验中装置上观察点的压力值和速度值，计算机主机与电动阀门的连接可在显示屏的控制界面上控制玻璃装置组件的工作状态，无需手动开启阀门；流体边界层分离的CFD仿真系统可以直接查看装置CFD仿真结果，并与实验数据进行实时对比；进水管道从水箱出水口开始，连接离心泵，经过管道，管道上连接三通，三通螺纹连接变径管，进一步地接上电动阀门，变径管套上软管，接上装置中间的进水口，出水管道从装置的侧出水口开始，通过管道分支汇集成一个总管道，回到水箱进水口；荧光示踪仪安装在水箱的上部，可观测水箱水位和水的流动状态。


2.根据权利要求1所述的一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置，其特征在于所述玻璃装置组件由有色塑料组成不同的曲面，不同曲面形状对边界层分离现象具有不同的影响，圆柱绕流装置中绕流圆柱塑料较多，可明显在圆柱曲面上观测到边界层分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，陈莉莉，朱祥维，王志奇，张彬，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43