一种具有CFD仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置的制作方法

本发明属于流体机械领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。本发明既可以直观地观察、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。

本发明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的cfd仿真过程中设置的进口流速，才能进入流体边界层分离的cfd仿真系统的查看结果界面，否则系统会出现警告，提示输入正确的进口流速，输入装置上观察点的位置坐标，以玻璃板左侧底部端点为原点，玻璃板的长为x轴，玻璃板的高为y轴；查看结果界面包括预先存储的压力云图、速度矢量图、迭代残差图和观察点的压力值和速度值，通过设置界面底部的压力云图键、速度矢量图键、迭代残差图键、数据显示键进入查看结果界面，在每个查看结果界面有个返回键可返回至设置界面重新设置，设置界面参数框内有确认键和取消键，可以确定和修改输入参数，底部有退出键可退出整个系统；点击压力云图键进入压力云图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的压力云图，同时可显示最大压力值，显示的压力云图可与实验得到的结果进行对比；点击速度矢量图键可进入速度矢量图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的速度矢量图，同时可显示最大速度值，显示的速度矢量图可与实验得到的结果进行对比；点击迭代残差图键可进入迭代残差图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的迭代残差图，同时可显示收敛迭代步数；点击数据显示键可进入数据显示界面，界面可显示选取的装置上观察点的压力值与速度值，显示的cfd仿真结果可与实验结果进行实时对比。

进一步地，所述的实验台分为两部分，上部分为上侧框架，用于安装玻璃装置组件，右侧放置计算机控制系统设备，下部分为空心的长方体框架，长方体框架上可放置水箱、荧光示踪仪、离心泵、进水管道和回水管道，右侧利用隔板隔开放置计算机主机，底部螺钉安装四个万向脚轮，方便整个装置移动位置，实验台的材质是铝合金。

进一步地，所述的进水管道和回水管道的材质是镀锌钢，进水管道从水箱的出水口开始，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，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，回到水箱的进水口。

进一步地，所述的荧光示踪仪安装在水箱的上部，可随时观测到水箱水位和水的流动状态。

进一步地，所述的离心泵是sg系列的管道泵，从水箱出水口连接到离心泵，从而把水输送到玻璃装置组件中，其特点在于运行平稳、滴水不漏、噪音低、故障率低、维修方便、占地省等特点，它采用不同材质的硬质合金密封，保证了不同介质输送均无泄漏，其出口可向左、向右、向上三个方向，方便管道布置安装，节省空间。

本发明的积极效果是：本发明提供的一种具有cfd仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置可以直观地观察、测量和分析边界层分离现象，并且可以分析不同曲面和进口流速对边界层分离现象影响，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，与实验数据进行实时对比，通过实验加深学生对边界层分离现象的认识和流体边界层分离理论知识的理解，实现计算机控制系统对实验装置进行操作，而且可直接在计算机显示屏上读取装置上观察点的压力值和速度值，无需人工调节。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述的一种具有cfd仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置示意图

图2是实验台下部的俯视示意图

图3是圆柱绕流装置剖面图

图4是文丘里与孔板流量计装置剖面图

图5是闸阀装置剖面图

图6是弯管装置剖面图

图7是流体边界层分离的cfd仿真系统的结构框图

图8是流体边界层分离的cfd仿真系统的启动界面

图9是流体边界层分离的cfd仿真系统的设置界面

图10是流体边界层分离的cfd仿真系统的压力云图界面

图11是流体边界层分离的cfd仿真系统的速度矢量图界面

图12是流体边界层分离的cfd仿真系统的迭代残差图界面

图13是流体边界层分离的cfd仿真系统的数据显示界面。

图1-图13中，1是实验台，2是上侧框架，3是圆柱绕流装置，4是第一侧出水口，5是第一进水口，6是第一底部挡板，7是第一底部分流柱，8是底部绕流圆柱，9是中部分流柱，10是中部绕流圆柱，11是第一侧挡板，12是第一顶部分流柱，13是文丘里与孔板流量计装置，14是第二侧边框，15是第二顶部分流柱，16是第二进水口，17是第二侧出水口，18是闸阀装置，19是第三顶部分流柱，20是绕流球阀，21是第三侧边框，22是第三底部分流柱，23是第三底部挡板，24是第三进水口，25是第三侧出水口，26是弯管装置，27是第四顶部分流柱，28是第四侧边框，29是第四进水口，30是第四侧出水口，31是计算机主机，32是显示屏，33是鼠标垫，34是鼠标，35是键盘，36是隔板，37是水箱，38是离心泵，39是进水管道，40是三通，41是电动阀门，42是变径管，43是回水管道，44是管道支架，45是支管，46是脚轮，47是速度传感器探针，48是压力传感器探针，49是显示器，50是压力传感器连接线，51速度传感器连接线，52电动阀门连接线，53是荧光示踪仪。

具体实施方式

如图1-图13所示，一种具有cfd仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置主要由玻璃装置组件、实验台1、进水管道39、回水管道43、水箱37、离心泵38、脚轮46、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53组成；玻璃装置组件通过凹槽安装在上侧框架2上，实验台1下侧放置水箱37、荧光示踪仪53、离心泵38、进水管道39和回水管道43；玻璃装置组件由圆柱绕流装置3、文丘里与孔板流量计装置13、闸阀装置18和弯管装置26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3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8和中部绕流圆柱10，底部绕流圆柱8由许多小圆柱组成等距排布在圆柱绕流装置3底部，中部绕流圆柱10由一个大圆柱构成排布在圆柱绕流装置3中上部，不规则柱体包括第一底部挡板6、第一底部分流柱7、中部分流柱9、第一侧挡板11和第一顶部分流柱12，第一底部分流柱7等距排布在圆柱绕流装置3下部，中部分流柱9等距排布在底部绕流圆柱8之上，水从第一进水口5流进，由第一底部挡板6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7，因为第一底部分流柱7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8，水流经底部绕流圆柱8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8水汇集在一起，流到中部分流柱9，水被分流，流到中部绕流圆柱10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12，从第一侧出水口4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13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14和第二顶部分流柱15，第二侧边框14通过对称排布在文丘里与孔板流量计装置13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16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15，从第二侧出水口17流出；闸阀装置18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20，绕流球阀20排布在闸阀装置18中部，不规则柱体包括第三底部挡板23、第三底部分流柱22、第三侧边框21和第三顶部分流柱19，水一样地从第三进水口24流进，首先由第三底部挡板23挡住继续往上流动，经过第三底部分流柱22实现分流，来到由第三侧边框21和绕流球阀20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19最后从第三侧出水口25流出；弯管装置26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28和第四顶部分流柱27，第四侧边框28分别排布在弯管装置26上下两侧，构成弯管的曲面，水流从第四进水口29流进流过由第四侧边框28组成的弯管曲面，经过第四顶部分流柱27，最后从第四侧出水口30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39和回水管道43相连接。

所述的计算机控制系统包括计算机主机31、显示屏32、压力传感器、速度传感器、电动阀门41、压力传感器连接线48、速度传感器连接线47和电动阀门连接线52，计算机主机31放置在实验台1下部右侧，利用隔板36与水箱37隔开，显示屏32放置在实验台1上部右侧，压力传感器包括压力传感器探针48和显示器49，压力传感器探针48通过螺钉安装在玻璃装置组件内部上下两端，显示器49通过压力传感器连接线50与压力传感器探针48连接，计算机主机31通过压力传感器连接线50与压力传感器连接，在显示屏32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47和显示器49，速度传感器探针47通过螺钉安装在玻璃装置组件内部上下两端，显示器49通过速度传感器连接线51与速度传感器探针47连接，计算机主机31通过速度传感器连接线51与速度传感器连接，在显示屏32上可直接读取所测得速度值；电动阀门41通过电动阀门连接线52与计算机主机31连接，操作人员可在显示屏32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。

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的cfd仿真过程中设置的进口流速，才能进入流体边界层分离的cfd仿真系统的查看结果界面，否则系统会出现警告，提示输入正确的进口流速，输入装置上观察点的位置坐标，以玻璃板左侧底部端点为原点，玻璃板的长为x轴，玻璃板的高为y轴；查看结果界面包括预先存储的压力云图、速度矢量图、迭代残差图和观察点的压力值和速度值，通过设置界面底部的压力云图键、速度矢量图键、迭代残差图键、数据显示键进入查看结果界面，在每个查看结果界面有个返回键可返回至设置界面重新设置，设置界面参数框内有确认键和取消键，可以确定和修改输入参数，底部有退出键可退出整个系统；点击压力云图键进入压力云图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的压力云图，同时可显示最大压力值，显示的压力云图可与实验得到的结果进行对比；点击速度矢量图键可进入速度矢量图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的速度矢量图，同时可显示最大速度值，显示的速度矢量图可与实验得到的结果进行对比；点击迭代残差图键可进入迭代残差图显示界面，界面可直接显示选取的装置在选定的进口流速下的迭代残差图，同时可显示收敛迭代步数；点击数据显示键可进入数据显示界面，界面可显示选取的装置上观察点的压力值与速度值，显示的cfd仿真结果可与实验结果进行实时对比。

所述的实验台1分为两部分，上部分为上侧框架2，用于安装玻璃装置组件，右侧放置计算机控制系统设备，下部分为空心的长方体框架，长方体框架上可放置水箱37、荧光示踪仪53、离心泵38、进水管道39和回水管道43，右侧利用隔板36隔开放置计算机主机31，底部螺钉安装四个万向脚轮46，方便整个装置移动位置，实验台的材质是铝合金。

所述的进水管道39和回水管道43的材质是镀锌钢，进水管道39从水箱37的出水口开始，连接离心泵38，经过管道，管道上连接三通40，三通螺纹连接变径管42，接上截止阀41，变径管42套上软管，接上装置的进水口；出水管道43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37的进水口。

所述的荧光示踪仪53安装在水箱37的上部，可随时观测到水箱37水位和水的流动状态。

所述的离心泵38是sg系列的管道泵，从水箱37出水口连接到离心泵38，从而把水输送到玻璃装置组件中，其特点在于运行平稳、滴水不漏、噪音低、故障率低、维修方便、占地省等特点，它采用不同材质的硬质合金密封，保证了不同介质输送均无泄漏，其出口可向左、向右、向上三个方向，方便管道布置安装，节省空间。

结合图1-图13，利用一种具有cfd仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置做实验时，首先从水箱37的注水孔中注入适量的水，打开荧光示踪仪53，当观察圆柱绕流装置3中的现象时，先通过计算机控制系统将连接圆柱绕流装置3的软管42上的电动阀门41开启，启动离心泵38，随即可发现圆柱绕流装置3有水从第一进水口5流进，流经第一底部挡板6、第一底部分流柱7、底部绕流圆柱8、中部分流柱9、中部绕流圆柱10，再流经第一顶部分流柱12从第一侧出水口4通过支管45流到回水管道43中，最后通过水箱37的进水口流到水箱37中，在流过有色塑料过程中，因为水无色，所以很容易观察到接触曲面上的边界层的形成与分离现象，调节阀门的开度可增加水的流速，即可观察进口流速对边界层的形成与分离现象的影响情况，计算机控制系统通过压力传感器和速度传感器的连接在显示屏32上可直接读取观察点的压力值和速度值，进行实验同时打开cfd仿真系统，在参数设置界面选取圆柱绕流装置，进口流速选取与实验相同的进口流速，输入实验中选取的观察点的坐标，进入查看结果界面，实时对比实验数据和cfd仿真结果，计算相关误差，当需要观察其他装置时，只需通过显示屏32的控制界面开启相应的电动阀门41，按照上述步骤即可；当需要了解曲面形状对边界层分离现象的影响时，可同时选择两个或多个装置进行实验，观察不同装置的边界层分离现象，步骤如上述一样，通过计算机操作，控制电动阀门的阀门开度一样，以保持单一变量法，观察不同装置的边界层分离现象可以了解到不同曲面对水边界层分离的影响。

以上所述为本发明专利关于具有cfd仿真系统的流体边界层分离可视化实验装置的实施例而已，但本发明专利不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明专利所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明专利保护的范围。