層流噴泉在水景中的應(yīng)用
新聞來(lái)源：未知 發(fā)布時(shí)間：2019-07-16
層流噴泉（光亮泉、跳泉），發(fā)明于上世紀(jì)八十年代，是現(xiàn)代流體力學(xué)中的一項(xiàng)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(wèn)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(diǎn)作有條不紊的線性運(yùn)動(dòng)，彼此互不混雜。該液流流態(tài)的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re處于2320~13800范圍內(nèi)。2320為下臨界點(diǎn)；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(dòng)的影響程度。外界擾動(dòng)愈強(qiáng)，上臨界的雷諾準(zhǔn)數(shù)就愈大。
層流噴頭具有消除外界對(duì)水流干擾的對(duì)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(kuò)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(duì)水柱中的光線進(jìn)行全反射。從而為戲水活動(dòng)及彩虹隧道等新、奇、特水形提供了可實(shí)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(dòng)或氣動(dòng)切割機(jī)構(gòu)，將連續(xù)的玻璃狀水柱切割成不同長(zhǎng)度的“水彈”,就可形成“玻光跳泉”等各種動(dòng)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(guò)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(guó)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(fēng)能力較差，遠(yuǎn)不能滿足室外大型水景噴泉的要求；效果不很理想，與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品比較，尚有較大差距。
水通過(guò)濾網(wǎng)9,經(jīng)水泵加壓，進(jìn)入水流室；壓力水通過(guò)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(jìn)電機(jī)（驅(qū)動(dòng)電壓24V）帶動(dòng)切割刀片4,在切割驅(qū)動(dòng)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(hù)板2和降低防濺護(hù)板5,使切割過(guò)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(dāng)傾角為45°，射高2m,理論計(jì)算出拋物線軌跡Lmax=8.6m.因受風(fēng)及空氣阻力影響，一般射距約為6m。
流水調(diào)節(jié)板有時(shí)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(shí)，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(jì)。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(yuǎn)大于高程水頭。一般為2~2.5倍。國(guó)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(jī)啟動(dòng)及額定電流不大，和采用230V/50Hz電源。此時(shí)，電機(jī)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(yáng)程可采用電機(jī)調(diào)頻或調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)。
四、切割機(jī)構(gòu)
切割機(jī)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(shí)增加動(dòng)感。透明水柱的長(zhǎng)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(dòng)感性愈強(qiáng)。機(jī)械或水力式、以及氣動(dòng)式切割機(jī)構(gòu)，切割速度一般低于100次/min;而采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)切割刀，切割速度高達(dá)500次/min.以水射流流速5m/s計(jì)，“水彈”長(zhǎng)度≤250mm.
加大切割刀遮斷部分尺寸，相鄰兩透明水柱的間隔會(huì)增大，“水彈”長(zhǎng)度回縮短。
更換切割刀片形狀、尺寸，如弧長(zhǎng)S、半徑R及改變步進(jìn)或伺服電機(jī)的往復(fù)速度n,透明水柱的長(zhǎng)短隨之改變。
五、設(shè)計(jì)使用要點(diǎn)
為達(dá)到層流噴泉最佳的動(dòng)感和彩虹效果，需要在設(shè)計(jì)使用時(shí)注意以下方面：
1. 盡量減少供水管道內(nèi)的紊流強(qiáng)度，嚴(yán)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(shí)，采用高位水箱代替離心泵供水。
3. 將泵閥等盡量布置在遠(yuǎn)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(wú)條件使用自來(lái)水，就必須設(shè)置供水過(guò)濾系統(tǒng)。
流體的縫隙流動(dòng)，由于縫隙尺寸小，厚度薄，一般均可看做是層流。縫隙流動(dòng)流態(tài)與園管層流十分相似，進(jìn)出流量變化不大；但壓力損失卻較大，包括剪切流動(dòng)和差壓流動(dòng)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(jì)中應(yīng)用已不鮮見。
目前我們?cè)谄胀▏婎^、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(jìn)，流體新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例很多。但對(duì)層流噴頭的技術(shù)研究探索及實(shí)際應(yīng)用尚處于起步和摸索階段。我們深信對(duì)層流噴泉技術(shù)的系統(tǒng)探索，無(wú)疑會(huì)極大促進(jìn)我國(guó)水景噴泉技術(shù)質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)早日趕超世界水平的目標(biāo)。
