[发明专利]一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的装置及方法，包括流动腔、压强腔、第一长直玻璃管以及第二长直玻璃管，流动腔为一个长方体壳体，其左右两端开口，上表面开有两个第一通孔；压强腔由第一空腔体和第二空腔体组成，第一空腔体的下表面开有第二通孔，第二空腔体的下表面开有第三通孔，第二通孔与位于第一空腔体下方的一个第一通孔相连通，第三通孔与位于第二空腔体下方的另一个第一通孔相连通，第一长直玻璃管固定连接在第一空腔体的上表面且与第一空腔体相连通，第二长直玻璃管固定连接在第二空腔体的上表面且与第二空腔体相连通。通过测量水流流经边壁时前后表面的压强差，计算得到该点处的边壁切应力数值。

技术领域

本发明属于水力学和流体力学领域，尤其涉及一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的装置及方法，可用于测量试验水槽底床、边壁和圆柱表面的流体切应力。

背景技术

流体切应力是水力学和流体力学工程实践以及理论研究中的重要参数，在水流阻力、河床和海峡的底床冲刷、泥沙输移以及污染物扩散等问题的研究中发挥着重要作用。紊流的时均切应力可以看作有两部分组成：一部分是由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力，另一部分是由脉动流速所引起的雷诺切应力：

对于紊流流场，流体切应力主要由时均流层相对运动而产生的粘性切应力和紊流脉动、上下层水质点相互掺混引起的雷诺切应力组成。粘性切应力是由于水体不同层流速分布不均，各层存在流速差而导致的，雷诺应力是由于紊动水团的交换在层流之间产生的剪切应力，在上式中，当i＝j时，τ_ij为雷诺法向正应力，当i≠j时，τ_ij为雷诺切应力；ρ为水的密度。当雷诺数很大时，紊流充分发展，雷诺切应力占据了流体切应力的主要部分。在有关河流海峡、明渠流、管道流等工程应用以及有关流体的理论研究中，往往需要测量边壁流体切应力及其垂线分布。而现有的流体切应力测量方式一般结构较为复杂，多用于小直径毛细管中流体剪切应力的测量。

边壁切应力的测量分为间接测量和直接测量两种方式，间接测量主要通过测量对应点的压力梯度、速度梯度、热交换以及其他参数，进而建立这些参数与切应力的关系，结构较为简单；直接测量所用到的传感器一般都具有浮动单元，由于流体粘性而产生的切应力作用于浮动单元，浮动单元的位移与切应力的大小成比例，结构较为复杂，往往需要通过数据的率定以得到较准确结果。

发明内容

针对现有装置结构复杂不便于应用的缺点，本发明提供一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的装置及方法，解决了水槽中流体壁面切应力测量的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的装置，包括流动腔、压强腔、第一长直玻璃管以及第二长直玻璃管，所述压强腔叠放在流动腔的上表面，所述流动腔为一个长方体壳体，其左右两端开口，上表面开有两个第一通孔；所述压强腔由第一空腔体和第二空腔体组成，所述第一空腔体的下表面开有第二通孔，第二空腔体的下表面开有第三通孔，第二通孔与位于第一空腔体下方的一个第一通孔相连通，第三通孔与位于第二空腔体下方的另一个第一通孔相连通，第一长直玻璃管固定连接在第一空腔体的上表面且与第一空腔体相连通，第二长直玻璃管固定连接在第二空腔体的上表面且与第二空腔体相连通。

进一步的，所述第一长直玻璃管和第二长直玻璃管的外壁均标示有刻度，刻度精确到毫米。

进一步的，所述流动腔和压强腔均采用透明有机玻璃制成。

本发明的另一目的是提供一种用于测量实验室水槽中流体壁面剪切应力的方法，该方法在上述的装置中实现，该方法为：

将装置置于边壁待测点，流动腔与水流方向平行，当水流流经第一空腔体和第二空腔体的下表面时，由于阻力的存在，导致水流压强降低，通过测量第一空腔体和第二空腔体内水流的压强差，计算出应观测点的水流切应力。

进一步的，该方法具体包括如下步骤：