流体力学
文丘里管与绕过障碍物的气流
直观验证速度与压强之间的反向关系(伯努利),并找出气流开始交替脱落漩涡(卡门涡街)时的雷诺数阈值。 测量管内流速和横截面积，并在损失较小时检验 与伯努利关系。
器材
- 截面积比可调的虚拟文丘里管
- 虚拟风洞(格子玻尔兹曼 D2Q9 模拟)
- 三种障碍物:圆柱、平板、倾斜翼型
实验步骤
测量文丘里管沿程的压强
逐渐减小 d₂/d₁ 的比值,观察喉部压力计中的液面下降。若收缩过度,压强降为 0,并出现空化警告。 将观察到的量与下式比较： .
找出卡门涡街出现的阈值
使用圆柱障碍物,将雷诺数 Re 从低值逐渐提高。观察气流在 Re ≈ 47 附近由平滑转变为交替脱落漩涡。切换到倾斜翼型,注意翼后气流向下偏转。 将观察到的量与下式比较： .
对照伯努利与连续性关系
在文丘里管中改变截面积比，读取宽处和喉部压强；观察截面积减小时流速上升。对照 Q = Av 与 p + ρv²/2 + ρgh ≈ 常数，并记录模型偏差及损失。 将显示的数据与下式比较： .
模拟
实验历史
流体力学研究液体和气体如何运动，涉及管道流动以及障碍物后方的涡旋。丹尼尔·伯努利用理想流动的能量收支联系压力、速度和高度，连续性方程则补充流量守恒条件。黏性流体绕过障碍物时，惯性与摩擦可能导致流动分离、周期性涡旋以及下游的卡门涡街。
雷诺数 Re = ρvD/μ 比较惯性与黏性的相对作用，但转变阈值取决于几何形状和流动条件，并非适用于所有物体的通用常数。格子玻尔兹曼方法通过更新网格上的类粒子分布来近似流动结构。实验室中的两个模型各有侧重：文丘里管展示压差与流速的联系，障碍物模型突出流动分离、涡旋以及理想流动描述的局限。观察时可逐步改变雷诺数并记录涡旋出现的状态，再更换障碍物比较结果；不要把某个阈值当成适用于任意几何形状的普遍常数。对照不同条件下的流线与测压读数，有助于判断模型中的惯性和黏性作用如何变化。注意每次只改变一个条件，并记录对应的观察结果。请记录观察，并比较参数改变前后的结果。便于复核。