[實用新型]渦流振動實驗儀

有效

• 申請號: 201120309480.1
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN202205375U
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 潘斐;沈哲思;楊潤秋;孫萍;白在橋
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: G09B23/12
• 分類號: G09B23/12
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 夏憲富

技術領域

本實用新型涉及一種高校物理實驗裝置，確切地說，涉及一種渦流振動實驗儀，該裝置利用有彈性和耐腐蝕的金屬絲制成的螺旋狀阻流體，與管道中流動的液體相互作用，再利用信號處理電路與軟件對其中涉及的流體力學、非線性動力學現象進行測量和研究，屬于高等院校實驗教學儀器的技術領域。

背景技術

1911年匈牙利科學家卡門在德國專門研究了不可壓縮的粘性流體繞流過圓柱體時發現：當雷諾系數Re在10²～10⁵范圍時，圓柱體背后將產生有規律的漩渦交替脫落的現象，并且，漩渦脫落的頻率與流速成正比。這個現象被叫做“卡門渦旋”。實際上，由于卡門渦旋產生的振動并不是一個嚴格的正弦波形式，因此，其振動的頻譜必然具有一定的分布寬度，只有非常特殊形狀的阻流體才能夠產生比較窄與穩定的頻譜分布。目前，對于一般阻流體的振動頻率特征的研究還比較少見。

在流體力學中，“湍流”始終是一個研究熱點。研究湍流的方法主要集中于流速場的分布，而對于流體中，由湍流所引起的阻流體的振動研究卻比較少。我們知道：當流速達到一定程度后，置于流體中的阻流體會激發湍流，而湍流又會反過來作用到阻流體上，造成阻流體的振動。因此，研究阻流體的振動特征，可以從另外一個側面來研究湍流現象。

目前，中國高校中涉及湍流現象與研究的實驗儀器還十分少見，主要原因是相關儀器的結構復雜、售價昂貴、操作繁碩，故主要用于科研。而且，許多相關儀器的功能單一，缺乏互動性和探究性，難以滿足教學需求。因此，設計一種普及性的、操作方便的、具有很強的互動性的關于流體力學的教學實驗儀器具有非常重要的現實需求和實用意義。

實用新型內容

有鑒于此，本實用新型的發明目的是提供一種渦流振動實驗儀，該儀器的原理基于卡門渦旋理論及其推廣，它能夠從多方面對流體中阻流體的振動特征進行測量，并且能夠方便、快捷、實時采樣與處理的實驗教學儀器，可以用作對流體中阻流體的振動特征進行研究的高校物理實驗裝備，以解決目前國內對流體力學中的渦流振動現象的研究只是集中于流速場，對于流體中阻流體的振動特征研究缺乏相應裝備的缺陷。

為了達到上述發明目的，本實用新型提供了一種渦流振動實驗儀，其特征在于：該儀器包括下述部件：信號發生器、信號采集器和裝設處理軟件的計算機，所述信號發生器用于引入水流，并流經阻流體產生渦流振動的模擬信號后，送到信號采集器；信號采集器將該渦流振動模擬信號轉換為數字信號后，送入由軟件對信號進行處理并作實時顯示的計算機；其中的信號發生器的箱體外側一端設有控制外接水流體流量的閥門，箱體左右側壁分別焊設有跨接于側壁里外的進水嘴和出水嘴，位于箱體壁外部分的進水嘴上卡箍套接有進水管，出水嘴的箱體壁內和壁外兩部分分別用卡箍套接有兩段出水管；位于箱體內側的進水嘴端面與錐體連接件的外徑凸環之間設有密封圈，再用快接將進水嘴和錐體連接件、以及位于中間的密封圈夾緊為一體；該錐體連接件的一端緊貼進水嘴的內壁，另一端與呈螺旋狀的金屬絲阻流體的粗口端相焊接，并一起伸入箱體內的出水管中；該出水管的管壁貼緊壓在將金屬絲阻流體的振動信號轉換為電信號的壓電陶瓷片上，該壓電陶瓷片、箱體內的水管、錐體連接件都固接于箱體底板上，再由該壓電陶瓷片上的兩根電線將振動電信號送至控制面板上的兩個輸出端。

所述進水嘴和出水嘴都采用銅或銅合金制成，其中進水嘴的管徑為14～18mm，出水嘴的管徑為11～15mm，壁厚為0.8～1.4mm，長為20～25mm；進水管和出水管為塑料或橡膠軟管，其中進水管的內徑為15～20mm，外徑為17～22mm，長度不小于900mm，出水管的內徑為12～17mm，外徑為14～19mm，長度不小于600mm；錐體連接件的材質為不銹鋼，其粗口直徑為10～18mm，細口直徑為6～10mm；密封圈的材質是聚四氟乙烯，其內徑和進水嘴的外徑相同；壓電陶瓷片是銅片襯底式壓電蜂鳴片，其直徑不小于32mm。。

所述螺旋狀的金屬絲阻流體是用一根直徑為0.4～0.7mm的不銹鋼的彈簧鋼絲或銅合金絲繞制而成，其形狀為：在一段長度為35～45mm的直線金屬絲后，是呈錐體狀的螺旋體，然后其另一端沿著螺旋體狀內側壁返回，從粗口伸出后，仍然是一段長度相同的直線金屬絲；該兩根平行金屬絲用于將該金屬絲阻流體固定于錐體連接件內。

所述金屬絲阻流體的螺旋體的長度為28～35mm，螺距為1.5～5.5mm，共繞制6～18圈；其粗口端內徑不小于5mm，細口端內徑不小于2mm，該金屬絲阻流體與其外側的錐體連接件的前端一起伸入箱體內的出水管中。