本发明专利技术公开了一种二维水洞实验装置及其控制方法和应用，包括皂液、上水箱和下水箱，上水箱底部连接有喷嘴，喷嘴出口处连接有两根尼龙绳，皂液在两侧尼龙绳之间形成向下逐渐扩张的皂膜层，皂膜层前后两侧分别设置有玻璃板，尼龙绳上下两侧分别设置有挂钩，尼龙绳下端悬挂有砝码，砝码浸入所述下水箱，上水箱和下水箱之间设置有一回流通道，本发明专利技术通过在两侧尼龙绳下端悬挂砝码避免表面张力对皂膜层的影响，同时通过在皂膜层前后两侧设置有玻璃夹板约束皂膜层两边的空气流场，形成空间稳态的湍流场，防止皂膜层越往下游流动，湍流场逐渐减弱。弱。弱。
【技术实现步骤摘要】
一种二维水洞实验装置及其控制方法和应用
[0001]本专利技术涉及流体实验领域，具体为一种二维水洞实验装置及其控制方法。
技术介绍
[0002]水洞、风洞是一种常用的流体力学实验测试装置，三维风洞和水洞分别广泛用于汽车、飞机和潜艇的设计性能测试中。在地球物理中，海洋、大气层的厚度(约10km)往往是地球直径的百分之一，常被视为二维湍流，因此需要一种二维水洞实验装置以对地球科学进行研究。皂膜具有极小的厚度比(10
‑4)，常被视为二维流体，基于皂膜层的二维水洞具有独特的科学研究和实验价值。
[0003]现有技术中，利用皂膜层水洞装置开展二维湍流研究时，往往需要实现空间上均匀的稳态湍流场，而常规在皂膜层流程上实现湍流的方式是在皂膜层上游插入类似于梳子般的栅格，但由于栅格扰动导致湍流场在空间上不断衰减的，无法实现空间上稳态的湍流场。专利号CN202011270786.0的中国专利公开了“肥皂膜层水洞试验装置”，上述方案中由于表面张力的作用，丝线内侧的皂膜层在中游位置会向内拉伸，形成一个拉法尔管式的流道断面，导致皂膜层边界线不铅直，在实验段会有一个先加速后减速的过程，进而导致皂膜层流速不均匀，无法达到实验过程对流场性能要求。
技术实现思路
[0004]为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种二维水洞实验装置及其控制方法，通过在两侧尼龙绳下端悬挂砝码避免表面张力对皂膜层的影响，同时通过在皂膜层前后两侧设置有玻璃夹板约束皂膜层两边的空气流场，形成空间稳态的湍流场，防止皂膜层越往下游流动，湍流场逐渐减弱。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种二维水洞实验装置，包括第一支架、上水箱和下水箱，所述上水箱底部连接有喷嘴，所述喷嘴出口处连接有两根尼龙绳，两侧所述尼龙绳之间形成皂膜层，所述皂膜层前后两侧分别设置有玻璃板，两根所述尼龙绳的上下两侧分别和相邻所述第一支架之间设置有挂钩，所述尼龙绳下端悬挂有砝码，所述砝码浸入所述下水箱，所述上水箱和下水箱之间设置有一回流通道。
[0007]进一步的，所述二维水洞实验装置装置还包括与所述第一支架平行设置的第二支架。
[0008]进一步的，所述第二支架固定设置有栅格和高速相机，所述栅格垂直穿过所述皂膜层上游位置，两台沿流向依次排序的所述高速相机平行设置在所述皂膜层下游位置外侧。
[0009]进一步的，所述第一支架上设置有至少一个合页，前后两侧所述玻璃板的任意一侧通过所述合页铰接，两侧所述玻璃板关闭后，所述玻璃板分别位于皂膜层两侧且与所述皂膜层相互平行。
[0010]进一步的，所述皂膜层在流动时，由于表面张力的作用，每根所述尼龙绳向所述皂膜层内侧产生的位移大小是其中γ为皂膜层的表面张力，m为单个砝码的重量，X2是实验段长度。
[0011]进一步的，所述砝码的最低重量为其中δ
y
为允许的尼龙绳最大收缩距离。
[0012]进一步的，所述回流通道内设置有蠕动泵。
[0013]进一步的，所述皂膜层包括质量分数分别为2％的洗碗液、10％的甘油和88％的去离子水，所述皂膜层添加有示踪粒子。
[0014]一种上述二维水洞实验装置的控制方法，具体包括以下步骤：
[0015](1)所述上水箱内皂液通过所述喷嘴流出，在两侧所述尼龙绳之间形成所述皂膜层；
[0016](2)将前后两侧所述玻璃板分别绕固定端转动，前后两侧所述玻璃板移动端打开，以形成皂膜层调整空间；
[0017](3)通过脉冲激光器照亮所述皂膜层中的所述示踪粒子，两台所述高速相机对正对的所述示踪粒子进行拍摄，当所述示踪粒子落在景深仅23μm的相机对焦平面，则所述示踪粒子清晰成像，否则所述示踪粒子会失焦，结合影像，不断调整四个所述挂钩，直到所有所述示踪粒子均清晰成像，则表明四个所述挂钩形成平面与相机对焦平面重合，即所述皂膜层处于同一平面；
[0018](4)将前后两侧所述玻璃板分别绕固定端转动，前后两侧所述玻璃板移动端相互靠近直到两侧所述玻璃板与所述皂膜层平行；
[0019](5)所述皂膜层流入所述下水箱，被所述蠕动泵送入所述上水箱。
[0020]一种上述二维水洞实验装置应用于各类流体力学实验。
[0021]相较于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0022](1)平行玻璃夹板装置实现空间稳态的湍流场；本专利技术设置有玻璃夹板，常规在皂膜流动中实现湍流的方式是在皂膜层上游插入类似于梳子的栅格，但栅格扰动形成的湍流场在空间上是不断衰减的，无法形成稳定的湍流场，在皂膜层两侧加入玻璃夹板，可对空间的空气边界层进行限制，进而形成空间稳定的泊肃叶湍流场。
[0023](2)特定皂液配方实现长时间稳定流动；本专利技术中使用的皂液采用质量分数为2％洗碗液、10％甘油和88％去离子水，延长皂膜层运行时间。
[0024](3)通过相机对焦的检验方式确保皂膜调整在一个平面上；本专利技术设置两台高速相机，相机对焦拍摄对应的皂膜层，皂液中添加有示踪粒子，当皂膜层不在一个平面，示踪粒子在相机图像中会失焦，结合相机影像，不断调整挂钩所在平面，直到所有示踪粒子都对焦时，皂膜即在同一个平面，即相机的对焦平面。
[0025](4)本专利技术尼龙绳下方悬挂特定重量的重物以实现皂膜层边界铅直化，避免因为表面张力的作用使尼龙绳向皂液方向拉伸，产生先加速后减速的过程，保证流场的均匀性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术结构示意图；
[0027]图2为本专利技术玻璃板结构示意图；
[0028]图3为表面张力对皂膜层影响示意图。
[0029]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0030]1、第一支架；2、上水箱；3、下水箱；4、喷嘴；5、尼龙绳；6、皂膜层；7、玻璃板；8、挂钩；9、砝码；10、回流通道；11、示踪粒子；12、栅格；13、高速相机；14、合页；15、蠕动泵；16、第二支架。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式和附图对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0032]请参阅图1、图2和图3，专利技术提供一种技术方案：一种二维水洞实验装置，包括第一支架1、上水箱2和下水箱3，上水箱2底部连接有喷嘴4，喷嘴4出口处连接有两根尼龙绳5，两根尼龙绳5形成相互远离的扩张段和相互平行的试验段，两侧尼龙绳5之间形成皂膜层6，皂膜层6在两侧尼龙绳的作用下先逐渐扩张，再随着重力不断加速，最后在试验段得到充分发展形成湍流场，皂膜层6前后两侧分别设置有玻璃板7，两根尼龙绳5的上下两侧分别和相邻第一支架1之间设置有挂钩8，尼龙绳5下端悬挂有砝码9，以减弱皂膜层6试验段中央宽度变化而影响满足流道铅直，砝码9浸入下水箱3，上水箱2和下水箱3之间设置有一回流通道10。
[0033]具体的，皂膜层6包括质量分数分别为2％的洗碗液、10％的甘油和88％的去离子水，其中洗碗液提供了表面活性剂，甘油可以本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种二维水洞实验装置，其特征在于：包括第一支架(1)、上水箱(2)和下水箱(3)，所述上水箱(2)底部连接有喷嘴(4)，所述喷嘴(4)出口处连接有两根尼龙绳(5)，两侧所述尼龙绳(5)之间形成皂膜层(6)，所述皂膜层(6)前后两侧分别设置有玻璃板(7)，两根所述尼龙绳(5)的上下两侧分别和相邻所述第一支架(1)之间设置有挂钩(8)，所述尼龙绳(5)下端悬挂有砝码(9)，所述砝码(9)浸入所述下水箱(3)，所述上水箱(2)和下水箱(3)之间设置有一回流通道(10)。2.根据权利要求1所述的一种二维水洞实验装置，其特征在于：所述二维水洞实验装置装置还包括与所述第一支架(1)平行设置的第二支架(16)。3.根据权利要求2所述的一种二维水洞实验装置，其特征在于：所述第二支架(16)固定设置有栅格(12)和高速相机(13)，所述栅格(12)垂直穿过所述皂膜层(6)上游位置，两台沿流向依次排序的所述高速相机(13)平行设置在所述皂膜层(6)下游位置外侧。4.根据权利要求1所述的一种二维水洞实验装置，其特征在于：所述第一支架(1)上设置有至少一个合页(14)，前后两侧所述玻璃板(7)的任意一侧通过所述合页(14)铰接，两侧所述玻璃板(7)关闭后，所述玻璃板(7)分别位于皂膜层(6)两侧且与所述皂膜层(6)相互平行。5.根据权利要求1所述的一种二维水洞实验装置，其特征在于：所述皂膜层(6)在流动时，由于表面张力的作用，每根所述尼龙绳(5)向所述皂膜层(6)内侧产生的位移大小是其中γ为皂膜层(6)的表面张力，m为单个砝码(9)的重量，X2为实验段长度。6.根据权利要求5所述的一种二维水洞实验装置，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：周泽友，钟启俊，
申请(专利权)人：福建省环境保护设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。