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    層流噴泉在水景中的應用
    新聞來源:未知  發布時間:2019-07-16
      層流噴泉(光亮泉、跳泉),發明于上世紀八十年代,是現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,被廣泛應用。其結構、原理和技術問題值得去探討。
      一、概述
      層流噴泉的噴口出流流速低,流體質點作有條不紊的線性運動,彼此互不混雜。該液流流態的雷諾準數Re處于2320~13800范圍內。2320為下臨界點;保證層流狀態,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,上臨界的雷諾準數就愈大。
      層流噴頭具有消除外界對水流干擾的對應措施,使水射流始終保持層流狀態,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,將連續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。
      層流噴頭區別于普通噴頭的特殊結構,是層流噴泉的技術關鍵所在。
      二、噴頭結構
      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。國內現有層流噴頭,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,與國外先進產品比較,尚有較大差距。
      水通過濾網9,經水泵加壓,進入水流室;壓力水通過八層流水調節板7,使之處于層流狀態,從噴嘴射出玻璃狀層流水柱。步進電機(驅動電壓24V)帶動切割刀片4,在切割驅動室3中,把玻璃狀水柱切割成一段段“水彈”;經蓋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。
      流水調節板有時采用泡沫塑料墊板替代,是產生層流流態的核心。
      三、性能和參數
      根據物體拋射原理,處于與水平面呈75°噴射角,最大射高3m時,水射流出口流速應為 .代入H=3m,?=75°,g=9.81m/s2,可得V=7.94 m/s,取8 m/s計。假設噴頭出口直徑d=20mm,則水泵流量。由于流水調節板網孔或多孔泡沫塑料墊板阻力大,水泵最大壓力應遠大于高程水頭。一般為2~2.5倍。國外某公司生產的層流噴頭的參數為: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,流量與揚程可采用電機調頻或調速控制實現。
      四、切割機構
      切割機構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?;蛴^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,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速度n,透明水柱的長短隨之改變。
      五、設計使用要點
      為達到層流噴泉最佳的動感和彩虹效果,需要在設計使用時注意以下方面:
      1. 盡量減少供水管道內的紊流強度,嚴格控制供水管道內的壓力和流量。最好采用變頻控制。
      2. 盡量避免彎頭、三通等產生渦流的管件。選用水流平穩的水泵,以免破壞層流流態。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. 為防止固體雜質堵塞層流噴頭中的網孔和流道,應采用干凈的水源。若無條件使用自來水,就必須設置供水過濾系統。
      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??p隙流動流態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。工程上層流態在石油輸送、化工管道、地下水滲流,甚至輕工、建筑、生理等領域都有應用。在現代噴泉水景工程設計中應用已不鮮見。
      目前我們在普通噴頭、數控閥、供水泵及搖擺裝置等常用噴泉設備方面,已有大量的研究和改進,流體新技術的應用實例很多。但對層流噴頭的技術研究探索及實際應用尚處于起步和摸索階段。我們深信對層流噴泉技術的系統探索,無疑會極大促進我國水景噴泉技術質的飛躍,實現早日趕超世界水平的目標。 
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