自由边界水电比拟装置及比拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种自由边界水电比拟装置及比拟方法。装置包括可变电源铜极、可调节支座、水平泡、高频交流信号源、可变模型测试域、高精度电压表、电压基点、测量点、可变电阻、测试平台边界；可变模型测试域由测试平台边界围成，可变电源铜极与测试平台边界相连，所述的装置设有多个可调节支座，多个水平泡，用于调节所述的装置至水平，高频交流信号源通过可变电阻与各可变电源铜极相连接，高精度电压连接至可变电源铜极的一极作为电压基点，另一极的端部为测量点，测量点在可变模型测试域内可任意移动测量。本发明可以在根据研究对象，任意布置流场源和复杂边界，可测量流场中的任一点，从而能测量不同边界和源流下的层流或近似层流的流场。
【专利说明】自由边界水电比拟装置及比拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及ー种自由边界水电比拟装置及比拟方法，可測量近似层流的流场中，在一定边界和障碍物下，流场中的各点流速，可分析流场的等势图和流速图。
【背景技术】
[0002]水电比拟是流体力学实验教学和科学研究中，分析层流流场的重要内容，层流运动和电流在导电介质中流动，两者之间存在物理和数学上的相似性。等厚均电阻率导电层中电场电位势函数和电流函数及理想流体平面无旋流动势函数和流函数均满足拉普拉斯方程，说明可用等厚均匀电阻率导电层中电场来比拟理想流体平面无旋流的流场。所以，在一定的边界条件下，可用电模型的绝缘边模拟流体边界，导电边界模拟等水头边界，导电介质模拟流体。通过水电比拟实验可测定电模型中各等电位点，即可得到等电位线，由等电位线分析得出模拟流场。当水面面积与水深相比极其广阔，底面较平缓，流速小的情况下，水面近似地看作平面流动且流速很低，梯度很小，可忽略粘性作用。可以将该情况看成是理想流体平面无旋流，采用水电比拟实验来模拟。
[0003]然而，在目前水电比拟常见的实验装置，使用方法单一，其存在很多的不足。实验エ序复杂，调试和布置需要大量时间；流场源不可调节且単一；数据测量往往根据水槽中固定测点上的探针来获得分布的电信号所得电压值；实验的人为操作因素较多，造成实验误差相对较大，数据准确度与精确度难以保证。所以，实验总体效果不佳，大大制约了该仪器的功能和应用研究范围。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供了 ー种自由边界水电比拟装置及比拟方法。通过该装置，流场边界能任意自由改动，可測量流场中的任意点，从而能得到可靠详尽的数据，能够适应不同的研究对象。
[0005]ー种自由边界水电比拟装置，包括可变电源铜极、可调节支座、水平泡、高频交流信号源、可变模型测试域、高精度电压表、电压基点、測量点、可变电阻、测试平台边界；可变模型测试域由测试平台边界围成，可变电源铜极与测试平台边界相连，所述的装置设有多个可调节支座，多个水平泡，用于调节所述的装置至水平，高频交流信号源通过可变电阻与各可变电源铜极相连接，高精度电压连接至可变电源铜极的ー极作为电压基点，另ー极的端部为测量点，測量点在可变模型测试域内可任意移动测量。
[0006]优选地，所述的测试平台边界采用有机玻璃和橡皮泥制成。
[0007]优选地，所述的可变模型测试域在有机玻璃底板上，可用橡皮泥任意设置制作。
[0008]优选地，所述的可变模型测试域的底部进ー步设有坐标纸。
[0009]ー种自由边界水电比拟方法，流程如下:
1)熟悉自由边界水电比拟装置，了解各部件功能；
2)制作需模拟的电拟边界，检查接线，调节信号发生器的交流电源； 3)通过调节底座调平电拟平台，倒入浓度2%的盐水；
4)将高精度压カ表调至电压测量200mV挡，以负铜极为基准电压，測量电位点，并描绘于方格纸上；
5)依次測量各点的电压值，并标于对应的坐标纸上；
6)最后按描图法描绘流场；
7)变化各种流场和边界状态，按上述过程测量其流场分布。
[0010]本发明的有益效果是，可以在根据研究对象，任意布置流场源和复杂边界，可測量流场中的任一点，从而能測量不同边界和源流下的层流或近似层流的流场。当研究对象为水面面积与水深相比极其广阔，底面较平缓，流速小的情况下，水面可近似地看作平面流动且流速很低，流速梯度很小，可忽略粘性作用。研究中可将该情况看成是理想流体平面无旋流，可以采用水电比拟方法实验来模拟该流场。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]下面结合附图和实施例对本发明进ー步说明。
[0012]图1是本发明的结构示意图。
[0013]图中，可变电源铜极1、可调节支座2、水平泡3、高频交流信号源4、可变模型测试域5、高精度电压表6、电压基点7、測量点8、可变电阻9、测试平台边界10。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，ー种自由边界水电比拟装置，包括可变电源铜极1、可调节支座2、水平泡3、高频交流信号源4、可变模型测试域5、高精度电压表6、电压基点7、測量点8、可变电阻9、测试平台边界10 ;可变模型测试域5由测试平台边界10围成，可变电源铜极I与测试平台边界10相连，所述的装置设有多个可调节支座2，多个水平泡3，用于调节所述的装置至水平，高频交流信号源4通过可变电阻9与各可变电源铜极I相连接，交流电源频率建议选在1500Hz附近。高精度电压6连接至可变电源铜极I的ー极作为电压基点7，另ー极的端部为测量点8，測量点8在可变模型测试域5内可任意移动测量。可变电源铜极I可拆卸，数量可变，也可结合橡皮泥做成不规则边界。在可变模型测试域5中放2%浓度的盐水作为模型区域内部的导电材料。
[0015]优选地，所述的测试平台边界10采用有机玻璃和橡皮泥制成。
[0016]优选地，所述的可变模型测试域5在有机玻璃底板上，可用橡皮泥任意设置制作。
[0017]优选地，所述的可变模型测试域5的底部进ー步设有坐标纸，可设置试验对象的边界和障碍物，也可定位測量点8的坐标。
[0018]变化模型测试域5内的測量点位置，測量各点电位值，并标于对应的坐标纸上。最后按描图法描绘流场，得出流场可分析流场的等势图和流速图。
[0019]ー种自由边界水电比拟方法，流程如下:
1)熟悉自由边界水电比拟装置，了解各部件功能；
2)制作需模拟的电拟边界，检查接线，调节信号发生器的交流电源；
3)通过调节底座调平电拟平台，倒入浓度2%的盐水；
4)将高精度压カ表调至电压测量200mV挡，以负铜极为基准电压，測量电位点，并描绘于方格纸上；
5)依次測量各点的电压值，并标于对应的坐标纸上；
6)最后按描图法描绘流场；
7)变化各种流场和边界状态，按上述过程测量其流场分布；也可以通过Kriging插值、surfer软件绘图软件等手段绘制出电场等势线。
[0020]本发明的原理如下:
1、理想流体平面无旋流动流场模拟
电流密度分量^和t与电位函数及电流函数;F间的数学函数关系和理想平面无旋流动流速分量a和V与势函数#和流函数ぶ间存在的数学函数关系一致，用数学函数可以统一表达成
【权利要求】
1.一种自由边界水电比拟装置，其特征在于，包括可变电源铜极(I)、可调节支座(2)、水平泡(3)、高频交流信号源(4)、可变模型测试域(5)、高精度电压表(6)、电压基点(7)、测量点(8)、可变电阻(9)、测试平台边界(10);可变模型测试域(5)由测试平台边界(10)围成，可变电源铜极(I)与测试平台边界(10)相连，所述的装置设有多个可调节支座(2)，多个水平泡(3)，用于调节所述的装置至水平，高频交流信号源(4)通过可变电阻(9)与各可变电源铜极(I)相连接，高精度电压(6)连接至可变电源铜极(I)的一极作为电压基点(7)，另一极的端部为测量点(8)，测量点(8)在可变模型测试域(5)内可任意移动测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的测试平台边界(10)采用有机玻璃和橡皮泥制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的可变模型测试域(5)在有机玻璃底板上，可用橡皮泥任意设置制作。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的可变模型测试域(5)的底部进一步设有坐标纸。
5.一种自由边界水电比拟方法，其特征在于，流程如下: O熟悉自由边界水电比拟装置，了解各部件功能； 2)制作需模拟的电拟边界，检查接线，调节信号发生器的交流电源； 3)通过调节底座调平电拟平台，倒入浓度2%的盐水； 4)将高精度压力表调至电压测量200mV挡，以负铜极为基准电压，测量电位点，并描绘于方格纸上； 5)依次测量各点的电压值，并标于对应的坐标纸上； 6)最后按描图法描绘流场； 7)变化各种流场和边界状态，按上述过程测量其流场分布。
【文档编号】G09B23/12GK103606323SQ201310576178
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】章军军, 祝丽丽 申请人:浙江大学