本发明涉及三维流场的流动控制领域，尤其是涉及一种发卡涡制造与打断装置及方法。
背景技术：
发卡涡，又名马蹄涡，最早由theodorsen(1952)提出，指的是一种ω形状的涡结构，具有两条流向涡腿并且由一个倾斜抬升的展向弓形涡环结构搭接而成。是壁面剪切流的基本组成部分。发卡涡产生原理主要是：由于流动中非线性作用产生的扰动，展向涡结构的中部沿法向逐渐向上抬升，在上层高速平均流的拖曳作用下，沿流向向前突出，而原来展向涡两侧的部分由于受到壁面粘性以及底层慢速平均流作用，无法以相同的速度向前运动，整体结构被沿流向拉伸，中部抬起并向前突出的部分形成了发卡涡的头部，而两侧的部分则逐渐被拉伸成发卡涡的两条涡腿，涡腿结构得到较充分的发展后，沿流向的发卡涡结构基本形成。
发卡涡主要有两大作用：一是它在两腿之间产生上升流，两腿之外产生下扫流，产生法向动量交换和正雷诺应力；二是它的两腿拉伸，从周围吸收能量，转化为湍动能，增加了湍流强度。
发卡涡一般都会贯穿整个边界层，传递、输运着湍动能，因此发卡涡对湍流的产生、维持有重要贡献。发卡涡的形成常常以涡列形式出现，伴随着大量的湍流应力的产生，并且这种结构的整体演化结果将产生所谓的大尺度结构和超大尺度结构。由于发卡涡的尺度很大，所以在流动显示中比较容易被发现，因此引起了研究者的浓厚兴趣。鉴于发卡涡在湍流产生和能量传递中的重要作用，在进行湍流控制的时候，多是有针对性地影响湍流边界层中的发卡涡以达到控制湍流边界层的目的。近年来，随着人们对高雷诺数湍流研究的深入，发现以往在低雷诺数下获得的对壁湍流规律的认识有一定的局限性，因此大尺度相干结构对于高雷诺数湍流的动力学过程变得十分重要，如果能够揭示大尺度结构在湍流维持中的作用，对于帮助人们更好的认识高雷诺数湍流、进一步提出更加精准有效的湍流模型有重要的意义。
对湍流进行针对性控制，可以达到减小流动阻力的目的。湍流控制的依据是湍流相干结构的生成机理和演化规律，根据湍流相干结构特性对湍流进行控制时，流动的阻力往往会出现相关联的变化。发卡涡作为一种典型的大尺度相干结构，其生成机理及演化规律对于实现湍流控制，减少流动阻力都有着重要的意义。然而，发卡涡通常只存在于自然壁面剪切湍流中，因此在对其生成机理及演化规律的研究中，人造发卡涡就显示出了十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种发卡涡制造与打断装置及方法，实现单列涡、多列涡的制造，以及涡环的打断。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种发卡涡制造与打断装置，包括：
槽道，水平放置，内部通有恒定速度的流体；
涡环发生系统，设置在所述的槽道下方，用于向所述的槽道内提供脉冲射流，所述的脉冲射流与槽道内流体流动方向垂直，二者作用形成发卡涡；
涡环打断系统，设置在所述的槽道中、所述的涡环发生系统上方，用于打断所述的发卡涡；
同步控制系统，分别与所述的涡环发生系统和所述涡环打断系统连接。
所述的涡环发生系统包括设置在所述的槽道下方的音叉形流道，流道的支流出口伸入槽道并与槽道的下表面持平，各支流全部位于槽道展向同一截面上，音叉形流道末端连有用于提供水源的水箱，所述的水箱与音叉形流道之间设有第一蠕动泵。
所述的音叉形流道的支流上设有阀门。
所述的音叉形流道的支流为2个以上。
所述的涡环打断系统包括设置在所述的槽道中的喷嘴，所述的喷嘴位于所述的音叉形流道其中一个支流出口的正上方；所述的喷嘴末端连有用于提供水源的水箱，所述的水箱与喷嘴之间设有第二蠕动泵。
所述的同步控制系统包括分别与所述的第一蠕动泵和第二蠕动泵连接的同步器。
所述的槽道为矩形槽道。
一种使用所述的装置进行发卡涡制造与打断的方法，包括如下步骤：
1)将涡环发生系统中的流体染色，排空涡环发生系统和涡环打断系统流道中的空气；
2)稳定槽道中流体的流速，启动涡环发生系统，涡环发生系统中的染色流体以脉冲射流的形式进入槽道中，形成展向涡，在所述槽道中主流的作用下，展向涡结构向上抬升的中心部分，沿流向向前突出，形成完整的发卡涡；
3)根据涡环发生系统脉冲射流的速度及槽道内的主流流速，调整涡环打断系统喷嘴的倾斜角度，启动同步系统，使涡环发生系统和涡环打断系统中的流体同时喷出，发卡涡在下游某处被打断。
与现有技术相比，本发明不仅能够制造出所需要的发卡涡，还能通过调节蠕动泵的频率及槽道内主流流速来调节发卡涡尺寸；附带涡环打断系统，为研究槽道相干结构对槽道减阻流动的影响创造条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记：
1为槽道；2为音叉形流道；3、4为阀门；5为第一蠕动泵；6为水箱；7为同步器；8为水箱；9为第二蠕动泵；10为喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，发卡涡制造与打断装置包括：
槽道1，呈矩形，水平放置，槽道1内通有恒定速度的流体(如图中大箭头方向所示)；
涡环发生系统，设置在槽道1的下方，向槽道1内提供脉冲射流；
涡环打断系统，设置在槽道1内的涡环发生系统的正上方；
同步控制系统，连接涡环发生系统和涡环打断系统。
其中，涡环发生系统包括：
音叉形流道2，设置在槽道1的下方，音叉形流道含有两个支路，沿中心线完全对称，其支流口径和支流间距优选为5mm左右；在音叉形流道2的两个支流上分别设有阀门3、4，用以控制支流的通断。音叉形流道2的两个出口设置在槽道1内，且在槽道1的展向同一直线上；出口与槽道1的内表面持平；
第一蠕动泵5，第一蠕动泵5为涡环发生系统提供动力，使得音叉形流道中能够产生脉冲射流，第一蠕动泵5能够调节脉冲频率。
水箱6，水箱6为涡环发生系统提供流体来源。
涡环打断系统包括：
喷嘴10，设置在音叉形流道2某一支流出口的正上方，喷嘴10在槽道1内流体的流向垂向平面内与竖直方向成一定的角度，以保证音叉形流道2中喷出的流体与喷嘴10喷出的流体能在下游某处相遇，实际角度根据情况具体计算得到；
第二蠕动泵9，第二蠕动泵9为涡环打断系统提供动力，使得喷嘴10能够产生脉冲射流，第二蠕动泵9能够调节脉冲频率；
水箱8，水箱8为涡环打断系统提供流体来源。
同步控制系统包括同步器7，同步器7连接着第一蠕动泵5和第二蠕动泵9，控制两者同步运行。
本实施例还提供了利用上述装置进行发卡涡制造与打断的方法，以单列涡打断为例，包括如下步骤：
1)射流准备：
将水箱6中的水染成深色；启动第一蠕动泵5，将音叉形流道2中的空气排空。
启动第二蠕动泵9，将喷嘴10中的空气排空。
2)涡环发生：
槽道1中流体的流速稳定后，启动第一蠕动泵5，音叉形流道2中的染色水在第一蠕动泵5的作用下，化为脉冲射流进入槽道1中，进入槽道1后的染色水在槽道1中主流的作用下，在向上抬升的同时被沿流向拉伸，很短时间后即可形成完整的发卡涡结构。
3)涡环打断：
根据音叉形流道2出口射流的速度及槽道1内的主流流速，调整好喷嘴10的倾斜角度；启动同步器7，使音叉形流道2中的流体与喷嘴10中的流体同时喷出，则生成的发卡涡会在下游某处与喷嘴10喷射出的流体相遇，从而打断涡环。
当需要两列(多列)发卡涡时，同时打开阀门3、4后，打开蠕动泵5，即可观察到相同频率的两列(多列)发卡涡，甚至可观察到发卡涡的合并等过程。