数码相机在流体力学研究中的应用

　　流体力学在现代科学工程中有着广泛的应用,它是整个应用科学和工程技术的核心和基础之一,而且在现代工程中,流体力学还与其他学科结合,形成了许多新兴的学科.但在大学普通物理实验中,几乎没有涉及流体力学方面的实验,文献[1]通过简单的实验装置对此进行了研究.本文给出一种利用数码相机的视频功能来研究非理想条件下孔口出流的特性参数及其运动规律的方法.

　　1 数码相机原理及软件介绍

　　数码相机的原理如图1所示,它将光电传感器(CCD或CMOS)、模数转换器(A/D)和计算机接口等巧妙地结合在一起,利用数码相机可以将拍摄的数字影像方便地输入计算机,并通过FlashMX等软件工具对各种物理现象进行动态的实验研究[2, 3].

　　FlashMX是目前非常流行的动画制作及处理工具,本实验将应用FlashMX工具的2个功能:

　　(1)当把FlashMX中帧的播放速度改为10帧/s时,导入到FlashMX中的录像会自动转化为以0. 1 s为一帧进行播放;

　　(2)FlashMX可以动态地显示图上某一点的坐标,即通过计算机将某一点的坐标位置x和y值显示出来.

　　显示坐标的对话框如图2所示.

　　2 实验原理

　　孔口出流实验是流体力学中一个非常经典的实验,孔壁的厚度和形状对出流的性质有一定影响.在正常的工作条件下,若孔口具有尖锐的边缘,出流水股与孔壁仅接触于一条线上,此时出流仅受到局部阻力,具有这种条件的孔口称为薄壁孔口,见图3.

　　若孔壁的厚度和形状促使出流水股与孔壁接触不只限于一条线,而形成面的接触时,这种孔口称为/非薄壁孔口0,此时出流不仅受局部阻力影响,而且也受沿程阻力的影响.

　　在理想条件下,对上游断面和收缩断面运用能量方程即可得到收缩断面流速为:

　　而实际流体运动是非常复杂的,液体的黏滞力显示了运动的阻力.为了克服这一阻力,流体就必须消耗部分机械能.

　　为了进一步探究真实流体的运动规律,笔者自制了如图4所示的仪器,以研究小孔出流的特性参数及其运动规律.

　　在实际情况中,考虑到各种因素对出流流速的影响,对于图4所示的孔口出流现象,所有的能量损失可以分为两部分:一部分与出流速度有关(次要能量损失);另一部分与出流速度无关(主要能量损失).且液面高度h与出流速度vc的关系式[1]为:

　　式中: k—常数,表示出流速度vc在孔口处次要能量损失的系数;

　　Δz—常数,表示与速度无关的能量损失部分.

　　出流速度的求解式为: