層流噴泉在水景中的應(yīng)用
新聞來源:未知 發(fā)布時間:2019-07-16
層流噴泉(光亮泉、跳泉),發(fā)明于上世紀八十年代,是現(xiàn)代流體力學中的一項新成果,已成為目前人工噴泉中的一種新、奇、特水型,被廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)、原理和技術(shù)問題值得去探討。
一、概述
層流噴泉的噴口出流流速低,流體質(zhì)點作有條不紊的線性運動,彼此互不混雜。該液流流態(tài)的雷諾準數(shù)Re處于2320~13800范圍內(nèi)。2320為下臨界點;保證層流狀態(tài),就必須控制上臨界值在13800以下,這取決于水流受外界擾動的影響程度。外界擾動愈強,上臨界的雷諾準數(shù)就愈大。
層流噴頭具有消除外界對水流干擾的對應(yīng)措施,使水射流始終保持層流狀態(tài),形成玻璃柱狀透明出水水柱。其邊界層水射流與大氣層空氣,不發(fā)生摻氣擴散兩相流;水射流的水氣界面保持光滑完整,可以像光纖一樣對水柱中的光線進行全反射。從而為戲水活動及彩虹隧道等新、奇、特水形提供了可實施的條件。
層流噴泉可產(chǎn)生很薄的均勻水膜,形成“水泡泉”、“寶石泉”等水形;配套燈光照明,就形成彩虹隧道。若配備水力、電動或氣動切割機構(gòu),將連續(xù)的玻璃狀水柱切割成不同長度的“水彈”,就可形成“玻光跳泉”等各種動感水景。
層流噴頭區(qū)別于普通噴頭的特殊結(jié)構(gòu),是層流噴泉的技術(shù)關(guān)鍵所在。
二、噴頭結(jié)構(gòu)
層流噴泉與其它人造水景一樣,需要水泵從吸水口吸入流體(水);加壓后,通過輸水管道、閥門,經(jīng)噴頭(口)射出水射流。由于層流噴頭出口流速低,流量小,射程及噴高均受到了很大限制,故此不易形成壯觀的水景。國內(nèi)現(xiàn)有層流噴頭,一般射高Hmax<3m,最大射程Lmax<9m,玻璃水柱直徑d在20mm左右,抗風能力較差,遠不能滿足室外大型水景噴泉的要求;效果不很理想,與國外先進產(chǎn)品比較,尚有較大差距。
水通過濾網(wǎng)9,經(jīng)水泵加壓,進入水流室;壓力水通過八層流水調(diào)節(jié)板7,使之處于層流狀態(tài),從噴嘴射出玻璃狀層流水柱。步進電機(驅(qū)動電壓24V)帶動切割刀片4,在切割驅(qū)動室3中,把玻璃狀水柱切割成一段段“水彈”;經(jīng)蓋1的中央孔射向空中。上防濺護板2和降低防濺護板5,使切割過程中被擋之水,回落到水流室。
橡膠密封墊8保證了水泵出水口處的密封性。照明燈6可使玻璃狀水柱呈各種各色彩虹,形成彩虹隧道。
當傾角為45°,射高2m,理論計算出拋物線軌跡Lmax=8.6m.因受風及空氣阻力影響,一般射距約為6m。
流水調(diào)節(jié)板有時采用泡沫塑料墊板替代,是產(chǎn)生層流流態(tài)的核心。
三、性能和參數(shù)
根據(jù)物體拋射原理,處于與水平面呈75°噴射角,最大射高3m時,水射流出口流速應(yīng)為 .代入H=3m,?=75°,g=9.81m/s2,可得V=7.94 m/s,取8 m/s計。假設(shè)噴頭出口直徑d=20mm,則水泵流量。由于流水調(diào)節(jié)板網(wǎng)孔或多孔泡沫塑料墊板阻力大,水泵最大壓力應(yīng)遠大于高程水頭。一般為2~2.5倍。國外某公司生產(chǎn)的層流噴頭的參數(shù)為:水泵最大流量Q=7.2m3/h,最大出口水壓頭H=7.7mH2O.層流噴頭照明采用12V,75~100W高能冷鹵燈,照射角20°~30°。
由于水泵出口處的流量和水壓頭均較低,功率、電機啟動及額定電流不大,和采用230V/50Hz電源。此時,電機額定電流1.17~1.82A,功率250~400W。為確保出口層流流態(tài),流量與揚程可采用電機調(diào)頻或調(diào)速控制實現(xiàn)。
四、切割機構(gòu)
切割機構(gòu)的作用是把透明的玻璃狀水柱切割成一段段類似“水彈”的小柱體,供戲耍或觀賞時增加動感。透明水柱的長短,決定于切割速度的快慢。切割頻率愈大,切出的“水彈”愈短且密,動感性愈強。機械或水力式、以及氣動式切割機構(gòu),切割速度一般低于100次/min;而采用步進電機或伺服電機直接驅(qū)動切割刀,切割速度高達500次/min.以水射流流速5m/s計,“水彈”長度≤250mm.
加大切割刀遮斷部分尺寸,相鄰兩透明水柱的間隔會增大,“水彈”長度回縮短。
更換切割刀片形狀、尺寸,如弧長S、半徑R及改變步進或伺服電機的往復(fù)速度n,透明水柱的長短隨之改變。
五、設(shè)計使用要點
為達到層流噴泉最佳的動感和彩虹效果,需要在設(shè)計使用時注意以下方面:
1. 盡量減少供水管道內(nèi)的紊流強度,嚴格控制供水管道內(nèi)的壓力和流量。最好采用變頻控制。
2. 盡量避免彎頭、三通等產(chǎn)生渦流的管件。選用水流平穩(wěn)的水泵,以免破壞層流流態(tài)。條件允許時,采用高位水箱代替離心泵供水。
3. 將泵閥等盡量布置在遠離層流噴頭的位置,減少渦流的影響程度。
4. 為防止固體雜質(zhì)堵塞層流噴頭中的網(wǎng)孔和流道,應(yīng)采用干凈的水源。若無條件使用自來水,就必須設(shè)置供水過濾系統(tǒng)。
流體的縫隙流動,由于縫隙尺寸小,厚度薄,一般均可看做是層流。縫隙流動流態(tài)與園管層流十分相似,進出流量變化不大;但壓力損失卻較大,包括剪切流動和差壓流動兩種情況。工程上層流態(tài)在石油輸送、化工管道、地下水滲流,甚至輕工、建筑、生理等領(lǐng)域都有應(yīng)用。在現(xiàn)代噴泉水景工程設(shè)計中應(yīng)用已不鮮見。
目前我們在普通噴頭、數(shù)控閥、供水泵及搖擺裝置等常用噴泉設(shè)備方面,已有大量的研究和改進,流體新技術(shù)的應(yīng)用實例很多。但對層流噴頭的技術(shù)研究探索及實際應(yīng)用尚處于起步和摸索階段。我們深信對層流噴泉技術(shù)的系統(tǒng)探索,無疑會極大促進我國水景噴泉技術(shù)質(zhì)的飛躍,實現(xiàn)早日趕超世界水平的目標。