Зачем визуализировать поток?

Механика жидкости и газа - это предмет, в котором такие важные явления, как ламинарное течение, турбулентное течение, разделение пограничного слоя и вихреобразование, часто остаются невидимыми для студентов в обычной обстановке лекций. Инженерный колледж Пекинского университета искал компактное учебное устройство, которое позволило бы непосредственно наблюдать эти абстрактные схемы течения в учебной лаборатории. Компания MicroNewton представила экспериментальное устройство для визуализации поля потока H012 - систему каналов с самоциркулирующей водой, которая использует метод пузырьков водорода для визуализации линий тока, зон отрыва и вихревых структур, видимых невооруженным глазом.

Как это работает?

В основе устройства лежит небольшой самоциркулирующий резервуар для воды размером 900 на 300 на 300 миллиметров, оснащенный сверхшумным водяным насосом с регулируемой скоростью вращения, который обеспечивает максимальный расход 40 литров в минуту при точной регулировке скорости. Выпрямительный механизм, расположенный выше по потоку, создает стабильное поле потока с низкой турбулентностью. Визуализация достигается с помощью электролиза: импульсный источник питания с частотой от 0 до 150 килогерц и длительностью импульса от 1 до 100 процентов генерирует мелкие пузырьки водорода на платиновом катоде перед тестируемой моделью. Эти пузырьки отслеживают движение потока, а светодиодная подсветка позволяет получать высококонтрастные изображения, на которых четко видны разделение и образование вихрей. Система включает в себя блок управления размером 330 на 220 на 170 миллиметров, сменные модели, включая цилиндрические, прямоугольные, с аэродинамическим профилем NACA2412, шпиндельные, S-образные и сужающиеся профили, и работает при мощности 200 Вт.

Что могут увидеть и чему научиться учащиеся?

Устройство поддерживает четыре основных эксперимента по визуализации. В эксперименте по разделению пограничного слоя учащиеся помещают аэродинамический профиль NACA2412 в поток и наблюдают, как пограничный слой отрывается от поверхности при увеличении скорости, связывая это явление непосредственно с зависанием самолета. В эксперименте Karman vortex street цилиндрическая модель демонстрирует периодический выброс вихрей вниз по потоку, демонстрируя, как число Рейнольдса влияет на образование вихрей и его применение в вихревых расходомерах. В эксперименте по двумерной визуализации потока учащиеся переключаются между прямоугольными моделями, моделями S-образной формы, моделями внезапного расширения, внезапного сжатия и моделями параллельных каналов, чтобы наблюдать, как геометрия изменяет структуру потока. В эксперименте с ламинарным и турбулентным течением учащиеся регулируют скорость, чтобы наблюдать переход от плавного слоистого ламинарного течения к хаотичному турбулентному потоку, развивая интуицию в отношении числа Рейнольдса и режима течения. В ходе всех экспериментов студенты также изучают принципы электролиза, взаимосвязь между концентрацией электролита и электропроводностью, а также аналогию между потоками воды и воздуха, основанную на сходстве чисел Рейнольдса.

Помимо конкретных концепций механики жидкости, экспериментальное устройство для визуализации поля течения дает студентам возможность связать теоретические уравнения с осязаемыми визуальными доказательствами. Компактная конструкция настольного компьютера не требует дополнительного оборудования и может быть установлена на обычном классном столе, что делает его доступным для небольших учебных лабораторий. Для инженерного колледжа Пекинского университета это устройство стало основным инструментом обучения механике жидкости, позволяющим студентам видеть, задавать вопросы и понимать невидимый мир движения жидкости.

Изучите экспериментальное устройство для визуализации микроньютонного поля течения и другое оборудование для обучения механике жидкости. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить требования к вашей лаборатории.