自由邊界水電比擬裝置及比擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自由邊界水電比擬裝置及比擬方法。裝置包括可變電源銅極、可調(diào)節(jié)支座、水平泡、高頻交流信號源、可變模型測試域、高精度電壓表、電壓基點、測量點、可變電阻、測試平臺邊界；可變模型測試域由測試平臺邊界圍成，可變電源銅極與測試平臺邊界相連，所述的裝置設(shè)有多個可調(diào)節(jié)支座，多個水平泡，用于調(diào)節(jié)所述的裝置至水平，高頻交流信號源通過可變電阻與各可變電源銅極相連接，高精度電壓連接至可變電源銅極的一極作為電壓基點，另一極的端部為測量點，測量點在可變模型測試域內(nèi)可任意移動測量。本發(fā)明可以在根據(jù)研究對象，任意布置流場源和復(fù)雜邊界，可測量流場中的任一點，從而能測量不同邊界和源流下的層流或近似層流的流場。
【專利說明】自由邊界水電比擬裝置及比擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種自由邊界水電比擬裝置及比擬方法，可測量近似層流的流場中，在一定邊界和障礙物下，流場中的各點流速，可分析流場的等勢圖和流速圖。
【背景技術(shù)】
[0002]水電比擬是流體力學(xué)實驗教學(xué)和科學(xué)研究中，分析層流流場的重要內(nèi)容，層流運動和電流在導(dǎo)電介質(zhì)中流動，兩者之間存在物理和數(shù)學(xué)上的相似性。等厚均電阻率導(dǎo)電層中電場電位勢函數(shù)和電流函數(shù)及理想流體平面無旋流動勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程，說明可用等厚均勻電阻率導(dǎo)電層中電場來比擬理想流體平面無旋流的流場。所以，在一定的邊界條件下，可用電模型的絕緣邊模擬流體邊界，導(dǎo)電邊界模擬等水頭邊界，導(dǎo)電介質(zhì)模擬流體。通過水電比擬實驗可測定電模型中各等電位點，即可得到等電位線，由等電位線分析得出模擬流場。當(dāng)水面面積與水深相比極其廣闊，底面較平緩，流速小的情況下，水面近似地看作平面流動且流速很低，梯度很小，可忽略粘性作用?？梢詫⒃撉闆r看成是理想流體平面無旋流，采用水電比擬實驗來模擬。
[0003]然而，在目前水電比擬常見的實驗裝置，使用方法單一，其存在很多的不足。實驗エ序復(fù)雜，調(diào)試和布置需要大量時間；流場源不可調(diào)節(jié)且単一；數(shù)據(jù)測量往往根據(jù)水槽中固定測點上的探針來獲得分布的電信號所得電壓值；實驗的人為操作因素較多，造成實驗誤差相對較大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度與精確度難以保證。所以，實驗總體效果不佳，大大制約了該儀器的功能和應(yīng)用研究范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了 ー種自由邊界水電比擬裝置及比擬方法。通過該裝置，流場邊界能任意自由改動，可測量流場中的任意點，從而能得到可靠詳盡的數(shù)據(jù)，能夠適應(yīng)不同的研究對象。
[0005]ー種自由邊界水電比擬裝置，包括可變電源銅極、可調(diào)節(jié)支座、水平泡、高頻交流信號源、可變模型測試域、高精度電壓表、電壓基點、測量點、可變電阻、測試平臺邊界；可變模型測試域由測試平臺邊界圍成，可變電源銅極與測試平臺邊界相連，所述的裝置設(shè)有多個可調(diào)節(jié)支座，多個水平泡，用于調(diào)節(jié)所述的裝置至水平，高頻交流信號源通過可變電阻與各可變電源銅極相連接，高精度電壓連接至可變電源銅極的ー極作為電壓基點，另ー極的端部為測量點，測量點在可變模型測試域內(nèi)可任意移動測量。
[0006]優(yōu)選地，所述的測試平臺邊界采用有機玻璃和橡皮泥制成。
[0007]優(yōu)選地，所述的可變模型測試域在有機玻璃底板上，可用橡皮泥任意設(shè)置制作。
[0008]優(yōu)選地，所述的可變模型測試域的底部進(jìn)ー步設(shè)有坐標(biāo)紙。
[0009]ー種自由邊界水電比擬方法，流程如下:
1)熟悉自由邊界水電比擬裝置，了解各部件功能；
2)制作需模擬的電擬邊界，檢查接線，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的交流電源； 3)通過調(diào)節(jié)底座調(diào)平電擬平臺，倒入濃度2%的鹽水；
4)將高精度壓カ表調(diào)至電壓測量200mV擋，以負(fù)銅極為基準(zhǔn)電壓，測量電位點，并描繪于方格紙上；
5)依次測量各點的電壓值，并標(biāo)于對應(yīng)的坐標(biāo)紙上；
6)最后按描圖法描繪流場；
7)變化各種流場和邊界狀態(tài)，按上述過程測量其流場分布。
[0010]本發(fā)明的有益效果是，可以在根據(jù)研究對象，任意布置流場源和復(fù)雜邊界，可測量流場中的任一點，從而能測量不同邊界和源流下的層流或近似層流的流場。當(dāng)研究對象為水面面積與水深相比極其廣闊，底面較平緩，流速小的情況下，水面可近似地看作平面流動且流速很低，流速梯度很小，可忽略粘性作用。研究中可將該情況看成是理想流體平面無旋流，可以采用水電比擬方法實驗來模擬該流場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)ー步說明。
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中，可變電源銅極1、可調(diào)節(jié)支座2、水平泡3、高頻交流信號源4、可變模型測試域5、高精度電壓表6、電壓基點7、測量點8、可變電阻9、測試平臺邊界10。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，ー種自由邊界水電比擬裝置，包括可變電源銅極1、可調(diào)節(jié)支座2、水平泡3、高頻交流信號源4、可變模型測試域5、高精度電壓表6、電壓基點7、測量點8、可變電阻9、測試平臺邊界10 ;可變模型測試域5由測試平臺邊界10圍成，可變電源銅極I與測試平臺邊界10相連，所述的裝置設(shè)有多個可調(diào)節(jié)支座2，多個水平泡3，用于調(diào)節(jié)所述的裝置至水平，高頻交流信號源4通過可變電阻9與各可變電源銅極I相連接，交流電源頻率建議選在1500Hz附近。高精度電壓6連接至可變電源銅極I的ー極作為電壓基點7，另ー極的端部為測量點8，測量點8在可變模型測試域5內(nèi)可任意移動測量?？勺冸娫淬~極I可拆卸，數(shù)量可變，也可結(jié)合橡皮泥做成不規(guī)則邊界。在可變模型測試域5中放2%濃度的鹽水作為模型區(qū)域內(nèi)部的導(dǎo)電材料。
[0015]優(yōu)選地，所述的測試平臺邊界10采用有機玻璃和橡皮泥制成。
[0016]優(yōu)選地，所述的可變模型測試域5在有機玻璃底板上，可用橡皮泥任意設(shè)置制作。
[0017]優(yōu)選地，所述的可變模型測試域5的底部進(jìn)ー步設(shè)有坐標(biāo)紙，可設(shè)置試驗對象的邊界和障礙物，也可定位測量點8的坐標(biāo)。
[0018]變化模型測試域5內(nèi)的測量點位置，測量各點電位值，并標(biāo)于對應(yīng)的坐標(biāo)紙上。最后按描圖法描繪流場，得出流場可分析流場的等勢圖和流速圖。
[0019]ー種自由邊界水電比擬方法，流程如下:
1)熟悉自由邊界水電比擬裝置，了解各部件功能；
2)制作需模擬的電擬邊界，檢查接線，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的交流電源；
3)通過調(diào)節(jié)底座調(diào)平電擬平臺，倒入濃度2%的鹽水；
4)將高精度壓カ表調(diào)至電壓測量200mV擋，以負(fù)銅極為基準(zhǔn)電壓，測量電位點，并描繪于方格紙上；
5)依次測量各點的電壓值，并標(biāo)于對應(yīng)的坐標(biāo)紙上；
6)最后按描圖法描繪流場；
7)變化各種流場和邊界狀態(tài)，按上述過程測量其流場分布；也可以通過Kriging插值、surfer軟件繪圖軟件等手段繪制出電場等勢線。
[0020]本發(fā)明的原理如下:
1、理想流體平面無旋流動流場模擬
電流密度分量^和t與電位函數(shù)及電流函數(shù);F間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系和理想平面無旋流動流速分量a和V與勢函數(shù)#和流函數(shù)ぶ間存在的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系一致，用數(shù)學(xué)函數(shù)可以統(tǒng)一表達(dá)成
【權(quán)利要求】
1.一種自由邊界水電比擬裝置，其特征在于，包括可變電源銅極(I)、可調(diào)節(jié)支座(2)、水平泡(3)、高頻交流信號源(4)、可變模型測試域(5)、高精度電壓表(6)、電壓基點(7)、測量點(8)、可變電阻(9)、測試平臺邊界(10);可變模型測試域(5)由測試平臺邊界(10)圍成，可變電源銅極(I)與測試平臺邊界(10)相連，所述的裝置設(shè)有多個可調(diào)節(jié)支座(2)，多個水平泡(3)，用于調(diào)節(jié)所述的裝置至水平，高頻交流信號源(4)通過可變電阻(9)與各可變電源銅極(I)相連接，高精度電壓(6)連接至可變電源銅極(I)的一極作為電壓基點(7)，另一極的端部為測量點(8)，測量點(8)在可變模型測試域(5)內(nèi)可任意移動測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的測試平臺邊界(10)采用有機玻璃和橡皮泥制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的可變模型測試域(5)在有機玻璃底板上，可用橡皮泥任意設(shè)置制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的可變模型測試域(5)的底部進(jìn)一步設(shè)有坐標(biāo)紙。
5.一種自由邊界水電比擬方法，其特征在于，流程如下: O熟悉自由邊界水電比擬裝置，了解各部件功能； 2)制作需模擬的電擬邊界，檢查接線，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的交流電源； 3)通過調(diào)節(jié)底座調(diào)平電擬平臺，倒入濃度2%的鹽水； 4)將高精度壓力表調(diào)至電壓測量200mV擋，以負(fù)銅極為基準(zhǔn)電壓，測量電位點，并描繪于方格紙上； 5)依次測量各點的電壓值，并標(biāo)于對應(yīng)的坐標(biāo)紙上； 6)最后按描圖法描繪流場； 7)變化各種流場和邊界狀態(tài)，按上述過程測量其流場分布。
【文檔編號】G09B23/12GK103606323SQ201310576178
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】章軍軍, 祝麗麗 申請人:浙江大學(xué)