[發(fā)明專利]一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的裝置及方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201811481034.1
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109406097A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫志林;董海洋;胡余發(fā);張永濤;吳啟和;劉建波;張磊
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué);中交第二航務(wù)工程局有限公司
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發(fā)明公開了一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的裝置及方法，包括流動(dòng)腔、壓強(qiáng)腔、第一長直玻璃管以及第二長直玻璃管，流動(dòng)腔為一個(gè)長方體殼體，其左右兩端開口，上表面開有兩個(gè)第一通孔；壓強(qiáng)腔由第一空腔體和第二空腔體組成，第一空腔體的下表面開有第二通孔，第二空腔體的下表面開有第三通孔，第二通孔與位于第一空腔體下方的一個(gè)第一通孔相連通，第三通孔與位于第二空腔體下方的另一個(gè)第一通孔相連通，第一長直玻璃管固定連接在第一空腔體的上表面且與第一空腔體相連通，第二長直玻璃管固定連接在第二空腔體的上表面且與第二空腔體相連通。通過測量水流流經(jīng)邊壁時(shí)前后表面的壓強(qiáng)差，計(jì)算得到該點(diǎn)處的邊壁切應(yīng)力數(shù)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水力學(xué)和流體力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的裝置及方法，可用于測量試驗(yàn)水槽底床、邊壁和圓柱表面的流體切應(yīng)力。

背景技術(shù)

流體切應(yīng)力是水力學(xué)和流體力學(xué)工程實(shí)踐以及理論研究中的重要參數(shù)，在水流阻力、河床和海峽的底床沖刷、泥沙輸移以及污染物擴(kuò)散等問題的研究中發(fā)揮著重要作用。紊流的時(shí)均切應(yīng)力可以看作有兩部分組成：一部分是由相鄰兩流層間時(shí)間平均流速相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯切應(yīng)力，另一部分是由脈動(dòng)流速所引起的雷諾切應(yīng)力：

對于紊流流場，流體切應(yīng)力主要由時(shí)均流層相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力和紊流脈動(dòng)、上下層水質(zhì)點(diǎn)相互摻混引起的雷諾切應(yīng)力組成。粘性切應(yīng)力是由于水體不同層流速分布不均，各層存在流速差而導(dǎo)致的，雷諾應(yīng)力是由于紊動(dòng)水團(tuán)的交換在層流之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，在上式中，當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，τ_ij為雷諾法向正應(yīng)力，當(dāng)i≠j時(shí)，τ_ij為雷諾切應(yīng)力；ρ為水的密度。當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)，紊流充分發(fā)展，雷諾切應(yīng)力占據(jù)了流體切應(yīng)力的主要部分。在有關(guān)河流海峽、明渠流、管道流等工程應(yīng)用以及有關(guān)流體的理論研究中，往往需要測量邊壁流體切應(yīng)力及其垂線分布。而現(xiàn)有的流體切應(yīng)力測量方式一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多用于小直徑毛細(xì)管中流體剪切應(yīng)力的測量。

邊壁切應(yīng)力的測量分為間接測量和直接測量兩種方式，間接測量主要通過測量對應(yīng)點(diǎn)的壓力梯度、速度梯度、熱交換以及其他參數(shù)，進(jìn)而建立這些參數(shù)與切應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)構(gòu)較為簡單；直接測量所用到的傳感器一般都具有浮動(dòng)單元，由于流體粘性而產(chǎn)生的切應(yīng)力作用于浮動(dòng)單元，浮動(dòng)單元的位移與切應(yīng)力的大小成比例，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，往往需要通過數(shù)據(jù)的率定以得到較準(zhǔn)確結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于應(yīng)用的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的裝置及方法，解決了水槽中流體壁面切應(yīng)力測量的問題。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的裝置，包括流動(dòng)腔、壓強(qiáng)腔、第一長直玻璃管以及第二長直玻璃管，所述壓強(qiáng)腔疊放在流動(dòng)腔的上表面，所述流動(dòng)腔為一個(gè)長方體殼體，其左右兩端開口，上表面開有兩個(gè)第一通孔；所述壓強(qiáng)腔由第一空腔體和第二空腔體組成，所述第一空腔體的下表面開有第二通孔，第二空腔體的下表面開有第三通孔，第二通孔與位于第一空腔體下方的一個(gè)第一通孔相連通，第三通孔與位于第二空腔體下方的另一個(gè)第一通孔相連通，第一長直玻璃管固定連接在第一空腔體的上表面且與第一空腔體相連通，第二長直玻璃管固定連接在第二空腔體的上表面且與第二空腔體相連通。

進(jìn)一步的，所述第一長直玻璃管和第二長直玻璃管的外壁均標(biāo)示有刻度，刻度精確到毫米。

進(jìn)一步的，所述流動(dòng)腔和壓強(qiáng)腔均采用透明有機(jī)玻璃制成。

本發(fā)明的另一目的是提供一種用于測量實(shí)驗(yàn)室水槽中流體壁面剪切應(yīng)力的方法，該方法在上述的裝置中實(shí)現(xiàn)，該方法為：

將裝置置于邊壁待測點(diǎn)，流動(dòng)腔與水流方向平行，當(dāng)水流流經(jīng)第一空腔體和第二空腔體的下表面時(shí)，由于阻力的存在，導(dǎo)致水流壓強(qiáng)降低，通過測量第一空腔體和第二空腔體內(nèi)水流的壓強(qiáng)差，計(jì)算出應(yīng)觀測點(diǎn)的水流切應(yīng)力。

進(jìn)一步的，該方法具體包括如下步驟：