水幕形成的流动分析

　　1引言

　　近年来，国内有几个城市相继出现了水幕电影，为人们的休闲提供了新的娱乐内容，为商业广告提供了新的空间，水幕电影可能将成为城市现代化的重要标志之一水幕电影具有气势磅礴、场面壮观、色彩绚丽、图象清晰的特点，它发展了传统电影，也极大地改善了商业广告的效果.目前国内建成的水幕电影大多是从法国、意大利等国引进的，也有国内自行研制的。

　　水幕电影由激光彩幻系统、大功率放映系统和水力系统三大部分组成.水力系统主要由高压清水泵、管路装置和喷嘴组成。水幕的质量对水幕电影的效果起重要作用，而水幕的质量又主要取决于喷嘴，所以喷嘴是水幕电影的关键部件.

　　1995年以来，华中理工大学水力机械教研室对形成水幕的各类喷嘴进行了大量的试验研究，获得了一批性能良好的水幕喷嘴，使之能形成高20~30米、宽40~60米的大型均匀水幕，目前已能为水幕电影提供成套水力系统技术。

　　2试验装置

　　依据GB3216一91《离心泵、轴流泵和旋祸泵试验方法》和GB3214一82《水泵流量测试法》等有关国家标准，结合水力机械实验室具体条件设计了水幕试验装置(见图l)。装置的主要参数为:工作压力3MPa，流量155m3瓜装置中两台水泵的型号分别是D85一45x8和D46一50xs、分别配用132kw和卯kw电动机。

　　试验装置启动后，通过调节阀7和阀民可以改变喷嘴的工作压力和流量。试验中，对不同型式的喷嘴在不同的压力下测量其流量及水幕高度等参数。

　　试验用主要仪表:YB一160压力表，(0一4)Mpa，精度等级0.4;LW一80和LW一100祸轮流量变送器，流量测量范围分别是(16一l00_^）m³/h和(25一160)m3/h、精度等级0.5;HG一I型流量/转速测量仪，精度等级01。

　　3流动特征

　　试验中，经多级水泵加压后的水流经喷口朝上的喷嘴，高速射入空中，形成水幕.水幕喷嘴中的一种是喷口截面形状为狭长矩形的扁喷嘴，高压水流通过这种喷嘴能喷射出180⁰的均匀扇形水幕。在有关流体力学专著（1）、（2）中，把这种喷射流动称为自由湍流(紊流)中的平面自由射流，有关湍流理论在相关专著〔3）、（4〕中有详尽论述。可以认为扇形水幕由扁喷嘴高速

　　射出的无数条均匀流束组成.在喷口的垂直方向，也就是在水幕平面的垂直方向取一流束的纵截面来分析射流的结构(见图2)。假设水流以均匀速度践射人静止的空气中，由于高速射出的水与周围空气在界面附近形成极大的速度梯度，从而在界面附近产生一个垂直于射流方向的吸力，致使周围空气被吸入射流内，射流的质量流量不断增加，但水流的速度逐渐下降以保持总的动量不变.离开喷嘴一定距离后，在界面吸力及射流内部湍流彼动作用下，更多的空气被吸人射流，流束表面出现波状分离，一部分水脱离流束而破裂为大小不等的水珠和雾珠，进人周围速度较低的空气流中，导致射流与空气间的质量交换.当水珠的上升速度减小为零时开始下落，细微的雾珠则随气流上升，流速表面的水气混合物的厚度迅速增加，流束随之消失，射流终结.随后由细微雾珠组成的雾状水气混合物飘幌、上升。根据以上所述，可将射流的发展过程划分为三个区段，如图2所示.