科学小实验漩涡的原理篇1
关键词：泄洪洞；进水口；漩涡；影响因素
引言
水利工程中，泄洪洞是常见的泄水建筑物。在泄洪洞运行中随水位不同，进水口流态会有不同变化。一般而言低水位下泄洪洞会有漩涡出现，但由于漩涡复杂性，高水位工况下也可能发生漩涡现象。根据漩涡形态可将其分为横轴漩涡、立轴漩涡两类，泄洪洞进口漩涡属于立轴漩涡。从数学上分析，立轴漩涡即是径向的函数，又是轴向的函数，属于强非线性水汽二相流问题[1]。某些工况下泄洪洞进口漩涡强度剧烈，若处理不当会发生较大的工程事故。我国龙羊峡、黄坛口、水口、紫平铺、漫湾、宝珠寺等工程均出现漩涡问题，在日本、美国、前苏联等许多国家，也有不少类似的工程问题[1]。Heckeer[2]研究中有20例存在立轴漩涡实例，其中有14个工程发生了较为严重的问题，占70%。
泄洪洞进口漩涡异常复杂，漩涡具有必然性和偶然性两种特性。必然性是指在某库水位之间必然会发生漩涡，偶然性是指漩涡发生位置、强弱程度在同等工况、同一水位下不会完全一致，即没有完全可重复性。鉴于漩涡防治的重要性，对诱发漩涡产生的主要因素进行研究，以便于工程采用合理措施减轻漩涡危害，就显得非常有工程实践应用研究意义。
1漩涡的分类
美国alden[3]实验研究室根据实验观察到的现象，将自由表面漩涡依其强弱分为以下六种类型：漩涡运动形态复杂：a型（表明涡纹）、B型（表面漩涡）、C型（纯水漩涡）、D型（携物漩涡）、e型（间断吸气漩涡）、F型（串通吸气漩涡）。该分类方法详细，将漩涡形成从弱到强进行了仔细观察，其中a型和B型近于无漩涡，不会引起危害，允许存在；C型和D型为弱漩涡，对机组与建筑物会产生一定作用，但危害一般不严重，实际中应努力防止其出现；e型和F型属于强漩涡，可能引起较严重的后果，工程中通常不允许出现。
杜敏[3]从对工程危害程度大小进行研究，对漩涡进行了归纳，将漩涡分为表面凹陷漩涡、间歇吸气漩涡和贯通吸气漩涡三类。表面凹陷漩涡为不吸气漩涡，仅在水面有轻微凹陷，对水工建筑物正常运行没有危害；间歇吸气漩涡顾名思义为间接性吸气漩涡，水面凹陷较深，该漩涡不稳定，但明显地降低泄流能力，携带杂物进入泄洪洞洞，影响工程正常运行；贯通式漩涡存在贯通连续的空气通道，尾部经常吸气，形成挟气涡流带甚至气囊[1]，进入泄洪洞的气囊不仅降低了泄流能力，而且在低压区会突然膨胀，发生放炮等不良现象，缩短建筑物的适用寿命，工程中应尽量避免这种漩涡的发生。
2诱发漩涡产生的主要因素分析
漩涡问题普遍存在于泄洪洞进口，其影响因素异常复杂。综合前人研究成果认为有压进水口漩涡的产生受水流边界地形、进水口体型、进水口深入水库的距离、来流方向与进水口之间夹角、来流条件、运行工况等条件影响。
2.1进水口边界地形
泄洪洞进口漩涡产生，主要是由于进口水流不平顺，发生绕流引起的。来流流速小的水利枢纽，水流是平稳的，不易产生漩涡，只有在流速发生较大改变，且水流受地形等因素影响，发生绕流等现象时才会发生漩涡。
进水口地形狭窄挤压水流造成的漩涡问题，如：黄坛口电站进口前因地形挤压水流，产生回流造成吸气漩涡出现。工程表明进水口地形若过于凹陷或狭窄，该地形条件下，相邻边界的水流对孔口来水造成挟带挤压，使进口前流向回转，导致较小的进口在很低的流速下（即弗劳德数数较低）产生吸气漩涡，破坏正常运行工况。
来流流向和孔口轴线交角过大造成的漩涡问题，如：石头河泄洪洞来流不顺，进口一侧水位雍高，加之离心力作用，在进口前造成一种涡转的始流流势，诱导水而出现吸气漩涡，危害工程安全。
2.2进水口体型
研究认为：当边界条件一定时，H/D≈2.0（H位孔口水头，D为孔口高度或直径）时，漩涡强度最大，显然进水口体型与漩涡问题密切相关。大型孔口（D>8.0m）流量大，较小型孔口易出现吸气漏斗漩涡。这是因为孔门大，来流流速增大后，表层的下垂流速也增加，流速及压力分布极不均匀，形成一种辐射流动，又因孔口收缩及流体紊动，引起切向力的不平衡，形成水体旋转，继之出现水面吸气漩涡。如：宝珠寺底孔、龙羊峡中孔泄水道直径均大于8m，加之流量大，均出现了严重漩涡破坏问题。锦屏一级泄洪洞（孔口尺寸为12.00m×15.00m（宽×高））在无消涡措施前，在水位1880m时出现最大漩涡（直径约2.5m）。因此工程设计中应慎重采用大型孔口，若必须采用大型孔口，则必须采取措施避免或减轻漩涡危害。
此外，水力学试验研究表明，在行近水流方向不改变时，引水渠的长宽比愈大，进水口附近的环量愈弱，避免吸气旋涡所要求的界限水深愈小。显然在一般中小型工程中通过增加引水渠段长度是可以避免漩涡危害的。但在高水头工程中，高水位时引水渠的长宽比对漩涡形成影响不再显著，该方法对进水口附近的环量影响很弱，此时应考虑其他措施来避免漩涡危害。
3结束语
影响漩涡问题异常复杂，不同工程出现漩涡问题往往具有各自特点，文章从地形条件、进水口体型等方面对诱发漩涡产生的主要因素进行了分析，分析结果表明：边界地形、体型结构等是泄洪洞进水口处诱发漩涡产生的主要因素，在工程实践应用中应非常重视工程边界地形的合理处理和结构体形的优化设计，确保工程高效优质、节能经济的建设发展。文章对诱发漩涡产生的主要因素进行了研究，对实际工程中采取合理设计方案、工程措施和技术措施等，有效避免漩涡产生具有重要意义，为后续研究工作奠定了一定基础。
参考文献
[1]陈云良.进水口前立轴旋涡水力特性的研究[D].四川大学，2006.
[2]郑双凌，马吉明，陈浩波，等.进水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展[J].南水北调与水利科技，2010，8（5）：129-132.
科学小实验漩涡的原理篇2
今天，我们都知道“日心说”，知道地球在自转，这再正常不过。但是，400多年前，布鲁诺却因此受火刑，伽利略因此入狱。不仅仅是因为《圣经》中充满地球中心论，也不仅仅是迫于教皇强大的压力，因为他们拿不出强有力的证据――那时的科学家是通过天文观测得出“地球在自转”的结论。难道没有实验能证明吗?不，法国实验物理学家让・伯纳德・利昂・傅科(1819-1868)做了一个美丽的物理实验――“傅科摆”实验。
1851年，巴黎先贤祠大厅。在众目睽睽之下，傅科从大厅的穹顶上悬下一根长67米的铁绳，铁绳下面系着一个28千克的摆锤，摆锤下方放着一个直径6米的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方时，摆锤上的指针就会在沙盘上留下运动的轨迹。他设想：当摆锤摆动时，在没有外力的作用下，它将保持固定的摆动方向，轨迹是一条直线；如果地球在转动，那么摆锤下方的地面就将旋转，而悬在空中的摆锤具有保持原来摆动方向的趋势，对于观察者来说，摆锤的摆动方向将会相对于地面发生变化，轨迹将是曲线。
实验开始后，人们惊奇地发现，摆锤的运动平面在1小时内改变了11度多，每经过一个周期(约32小时摆动一圈)的振荡，在沙盘上新画出的轨迹都会偏离原来的轨迹。实验结果与傅科的设想完全吻合，摆锤的摆动显示为由东向西的、缓慢而持续的旋转。傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转，所以人们称呼实验中的摆锤为“傅科摆”，当时的法国政府还向傅科颁发了荣誉骑士五级勋章，以表彰他的科学贡献。
后来人们发现，傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面是顺时针转动；在南半球时，摆动平面是逆时针转动，而且纬度越高，转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转动。傅科摆摆动平面偏转的角度可用公式θ°=15tsinφ来求，单位是度。式中φ代表当地地理纬度，t为偏转所用的时间，用小时作单位，因为地球自转角速度1小时等于15°，所以，为了换算，公式中用的是15。
“摆”在你面前
“傅科摆”对实验器材要求很高，单纯地“复制”难度不是一般的大。但是，日常生活中你也能见着“傅科摆”的影子，只不过幻化出许多模样。
1962年，美国麻省理工学院的a.谢皮罗教授在拔掉澡盆底部的塞子时，无意中发现，水在流入下水道口的时候，形成了一个漩涡。多次实验后，他注意到漩涡的方向是逆时针方向。水仿佛受到一股神秘力量的推动。日本“3・11大地震”时，海面上就产生了巨型逆时针漩涡。漩涡的方向其实就是受地球自转影响。当某一物体静止时，因为惯性，应该与地球保持一致的运动。水池里的塞子拔掉后，静止的水开始运动。微观上，它的运动方向是竖直向下；宏观上，它得随着地球的自西向东运动而运动。受两种力的影响，水便以逆时针方向运动，当然这是在北半球，在南半球漩涡是顺时针。
如果是自西向东的河流，北半球河流的右岸往往比左岸陡峭；而南半球河流的左岸比右岸陡峭，反之亦然。这也是地球自转的一个见证。地球的自转导致水流发生偏转，水流偏转的这一边受冲刷的影响就大一些，日复一日，冲刷的效果就出来了。
地球表面不同纬度地区受光照影响而温度不同，从而影响大气流动，在地球表面沿纬度方向形成了一系列气压带，在这些气压带压力差的驱动下，空气会沿着经度方向发生移动。但是受地球自转影响，在北半球大气流动会向左偏转，南半球大气流动会向右偏转，比如原本正南北向的大气流动变成东北一西南或东南－西北向的大气流动。
你也可以模拟一下地球自转的影响。用纸板做一个圆盘，把圆盘的中心固定起来，使它能够转动；把直尺放在圆盘上，随便取什么方向都行；然后让铅笔紧靠直尺的边沿前进。这时笔尖在圆盘上留下的痕迹是一条直线。现在让圆盘转动起来，重复前面的操作，笔尖在圆盘上会留下怎样的痕迹呢?
科学小实验漩涡的原理篇3
关键词：谱单元、有限元、计算流体动力学、圆柱绕流
中图分类号：o313文献标识码：a文章编号：
自从1977年Gottlieb和orszag[1]系统地从数学方面对谱方法进行了理论的阐述，它与有限差分法及有限元法一起构成了求解偏微分方程的三大方法，被广泛地应用于更多的领域。随着谱方法在各领域的应用和发展，谱方法在理论研究上日趋完善，它开辟了谱方法应用函数分析技术处理复杂问题的道路。1984年，Gottlieb和Hussaini开始将谱方法向计算流体动力学方面推广[2,3]。到了80年代初期，patera才结合谱方法的精度和有限元的思想提出所谓的谱单元方法[4]，谱单元方法具有谱方法的高精度和收敛特性，并且还可以像有限元法一样具有很好的几何区域的适应性[5]。
本文研究了谱单元方法插值函数的选取和谱单元的离散过程，给出了离散方程的一般形式，并采用时间分裂格式的谱单元法求解navier-Stokes方程，以不同雷诺数下单圆柱绕流的数值模拟作为基本算例，验证了谱单元法的高精度和计算效率，计算表明结果令人满意。
一、谱单元离散格式
二、单圆柱绕流计算分析
在研究圆柱流场时常用的几个无量纲化系数：CD（阻力系数）,CL（升力系数）和St（斯托罗哈数）定义如下：
（12）
其中，FD为阻力，与来流方向一致，主要由流体绕圆柱柱表面摩擦阻力以及圆柱前后压力差造成；FL为升力，与来流方向垂直，主要由涡交替从圆柱上下表面脱落产生上下表面压力脉动造成；St为涡脱落频率，D为圆柱直径。
2.1计算域和网格划分
考虑直径为D的圆柱受到未经扰动的均匀来流作用，基于圆柱直径和来流流速的雷诺数取Re=200。所选计算域50D×40D，圆柱位于坐标系原点（0,0）。入口边界和出口边界分别位于圆柱中心上游20D和下游30D处，流域顶部和底部离圆柱中心20D。相应的边界条件如下：进口处自由来流速度为绕流问题特征速度，即ux=U∞，uy=0.0；上下边界条件与进口边界条件相同；出口边界处纵向和横向速度梯度均为0.0，即∂ux/∂x=0.0，∂uy/∂x=0.0；圆柱表面处为不可滑移边界条件，即ux=0.0，uy=0.0。计算域和边界条件如图1所示。
图1计算域和边界条件示意图
Fig1Schematicdiagramofthecomputationaldomainandboundaryconditions
计算域网格划分采用了四边形非结构化谱单元网格，总共划分了354个单元，如图2(a)所示。在靠近圆柱壁面的地方进行了几层非常细的网格加密，离圆柱壁面最近的一层网格厚度为0.1D，如图2(b)所示。同时，在圆柱尾流区域也进行了加密处理。
图2(a)谱单元网格划分示意图(b)圆柱附近网格加密示意图
Fig2(a)spectralelementmesh,354elements(b)zoomed-inviewofthemesharoundthecylinder
为了验证插值函数的阶数对计算结果的影响，对单圆柱绕流进行了基于三种不同阶数的插值函数的数值模拟。在算例1中，谱函数插值采用了n=5阶GLL二维拉格朗日形函数；在算例2中，n=7；在算例3中，n=9。计算时间步长为Δt=0.005。如图3所示为所得阻力系数和升力系数时程曲线。
(a)(b)
图3单圆柱绕流阻力系数(a)和升力系数(b)时程曲线
Fig3timehistoriesofdragandliftcoefficientsforacylinder
从图中可以看到，雷诺数为200时单圆柱绕流的阻力系数与升力系数均呈周期性正弦变化，而且升力系数变化周期是阻力系数变化周期的两倍，这是由于漩涡交替从圆柱上下表面脱落。还可以看到，n=7和n=9的曲线几乎吻合在一起，极为相似。
2.2单圆柱绕流的流态
(a)Re=40(b)Re=60
(a)Re=120(b)Re=200
图4不同雷诺数下的瞬态流线图
Fig4snapshotsofinstantaneousstreamlineswithdifferentRe
从图4可以看出，对低雷诺数均匀流中圆柱绕流的数值模拟的结果与目前众多研究人员得到的结论基本上是一致的。在雷诺数Re=40时，在圆柱尾流中紧贴圆柱背后形成一对稳定的对称附着涡，没有出现漩涡脱落；随着雷诺数继续增大，稳定的对称附着涡破坏，在雷诺数Re=60附近，圆柱尾流开始出现漩涡脱落；再进一步增大雷诺数可以发现圆柱尾流中出现了成两排周期性摆动和交错的漩涡，即卡门涡街，同时还可以发现圆柱尾流初始漩涡随着雷诺数的增大逐渐向圆柱后端点靠近，流动变得更加复杂。
2.3圆柱表面受力特性随雷诺数的变化
图5平均阻力系数随雷诺数的变化
Fig5VariationofmeandragcoefficientswithRe
图5为平均阻力系数随雷诺数的变化，平均阻力系数随着雷诺数的增加而减小，在Re=140附近取得极小值后，随着雷诺数的增大而缓慢增大。
(a)(b)
图6(a)阻力系数均方根(b)升力系数均方根随雷诺数的变化
Fig6Variationof(a)theRmS.dragcoefficientsand(b)theRmS.liftcoefficientswithRe
图6(a)和图6(b)分别为单圆柱阻力系数均方根和升力系数均方根随雷诺数的变化，由图可知阻力系数均方根和升力系数均方根均随雷诺数的增大而逐渐增大。随着雷诺数的增大，从圆柱上脱落的涡强度增强，涡交替从圆柱上下表面脱落产生的上下表面压力脉动越来越强，因为升力系数的脉动也越来越强。
三、结论
科学小实验漩涡的原理篇4
德谟克利特出生于希腊北部色雷斯的阿布德拉（abdera）。他的父亲在当地是一位很有资产和地位的人。德谟克利特拜访过埃及，埃塞俄比亚，波斯和印度。据并不确切的史料称，德谟克利特曾就学于阿那克萨戈拉（anaxagoras），和苏格拉底讨论过哲学。在苏格拉底看来，他就像是奥林匹亚赛会中的一位五项全能竞赛的胜利者。德谟克利特是经验的自然科学家和希腊人中第一个百科全书式的学者（2），在整个希腊文化史上，其博学多才的程度除了亚里士多德，无人能及其项背（3）。虽然公众给了他很高的荣誉，但是他喜欢沉思的生活胜过了活跃的生活，因此婉言谢绝了这些公众的荣誉而渡过了孤独的余生（4）。
据说，留基波曾和巴门尼德一起研究过哲学，但是二者的观点是完全对立的。他认为非存在和存在一样存在，这就是原子和虚空，它们都是事物生成的原因。德谟克利特正是把他的思想加以发展和系统化，使原子论成为体系。
1．原子与虚空
留基波——如果不是德谟克里特的话——试图调和以巴门尼德与恩培多克勒分别为其代表的一元论与多元论而走到了原子论。他们的观点极其有似于近代科学的观点，并且避免了大部分古希腊的暝想所常犯的错误。
亚里士多德说：“但留基波认为他有一种理论，这种理论与感觉一致，不会取消存在物的生成、消灭、运动和多样性。在对现象作了这些说明后，针对坚持存在为一，并认为没有虚空就无运动的人，他宣称虚空是非存在，而存在的任何一部分都不是非存在；因为严格地说，“存在”就是完全充实。但这样的充实不是一，而是无限多，只是由于体积太小，不能为肉眼所见。它们在虚空中被移动（因为虚空存在着），其结合造成事物的生成，分离导致事物的消灭。在其碰巧接触的地方，它们就动作与承受（因为在那里，它们不是一），当被放在一起且被缠结时，它们也生成。但是，从真正的一，不会生出多，从真正的多，也不会生出一，这是不可能的（325a25-36）"。
德谟克利特扩大了留基波的原子理论，维护了无限地分开事物是不可能的之信仰，从而否定了把存在分解为非存在的思考方式。德谟克利特的原子论是以虚空和原子皆为客观存在的悖论形式来表达的，他认为，万物的本原是原子(原子)和虚空。所谓原子，希腊文的原意就是不可分割性。大概德谟克利特认为原子是由无空隙的、紧密的、坚固的物质所组成的，由于其坚固性而不可能再分割，它既不能从内部破碎也不能从外部破碎。每个原子内部是没有质的区别的、不变的，所以一部分原子不可能比另一部分原子更坚硬，因而相互破碎。事实上原子就是一个巴门尼德式的“一”。而万事万物都是由原子构成的，原子之间存在着虚空。德谟克利特把虚空视为原子存在和运动的根本条件。虚空是原子存在的容器和原子运动的前提。因为在他看来，如果空间都被充满，原子就无法运动，也就不能结合成具体事物。在虚空中运动的原子结合成万物，而原子分离时，事物就消亡。他把虚空和原子都视为万物生成的根本原因。虚空概念的提出是德谟克利特的一大贡献，它是西方哲学史上首次出现“空间”这种理论范畴的萌芽（5）。德谟克利特把现代意义上的空间理解为他的“虚空”，在他看来，空间自身是空虚的、同类的、连续的、无限的。
德谟克利特认为，原子是充满而又坚实的，所以是“存在”；而虚空是空虚而又稀疏的，所以是“非存在”。虚空尽管是非存在，然而它并不是纯粹的虚无，“非存在”并不是不存在，而是相对于有充实性的原子来说，虚空是没有被充实的。“存在”并不比“非存在”多点什么，因为虚空并不比物体少点什么，它们同样都是实在的。德谟克利特之所以具有这样的在我们看来十分诡异的观点是基于这样的思维困惑：对存在可进行无穷可分的观点将导致非存在，而根据巴门尼德的学说，这种非存在是必须被排除的，所以在芝诺看来，根本就不可能对存在进行分割。要么是巴门尼德的不可分割的存在；要么是阿那克萨哥拉的可以无穷尽地分割的存在——二者必居其一（6）。为了回避这种结论，原子论者在“无”前边，在分割的一个有限数字之后，假定了最后“不可分割的形式”的存在。
德谟克利特认为，原子在虚空中处于永恒的运动之中，而原子自身的运动是它的本质特征之一。因此，事物运动的原因不在外力的推动，而就在事物本身之中，这是由原子——本身的属性决定的：球形的原子拖拽着整个物体运动，原子运动是因为它们的本性即是永无静止（406b21-23）。当然，为什么原子自己能运动，这一点德谟克利特尽管到处探索却没能在最终作出解释。但是，在逻辑上而言，由于一切因果式的解释都必定要有一个任意设想的开端，因而，在德谟克利特的原子理论里留下来的原子具有的原始运动而不加以说明的做法就并不能算是缺欠了。
在这一基础之上，德谟克利特还进一步地认为：原子及由原子组成的物体的所有运动都是由动作和承受（activeandpassive）所引起的。他区分了原初的运动（primarymotion）与继起的效果（secondaryeffects），分别称为冲动和反应（impulseandreaction）。这一观点对亚里士多德的动力学观产生了很大的影响。并且，这一思想还引发了德谟克利特的一个猜想：原子在没有受到阻力的时候将做匀速直线运动。牛顿曾经就这一猜想写道：“所有那些古人都知道第一定律（即惯性定律），他们归之于原子在虚空中作直线运动，因为没有阻力，运动极快而永恒（7）”。
原子在数量上是无限多的，甚至于原子的种类也是无限的，在性质上则没有什么区别。为了说明万物在性质上的差异，德谟克利特主张原子在大小和形状上有区别，它们结合时又有次序和位置上的不同（后来的伊壁鸠鲁补充了重量的特征）。这样，在德谟克利特那里，原子在质上是相同的，在量上则存在四种区别：大小、形状、次序和位置。万物之所以会有千差万别的形态，完全是因为其中所包含的原子数量、大小、形状、次序和位置的不同而造成的。在大小上，既然他认为原子是不可分的物质微粒，那么原子应该很小，小到肉眼看不见。在形状上，德谟克利特认为有些原子是球形的，有的光滑，有的粗糙；有的是凹形的，有的是凸形的，有的甚至是带钩的。他认为太阳和月亮就是由光滑的球形原子组成的。构成灵魂的原子和火原子差不多，它们都是由最精细的球形原子组成的，所以，它们具有很大的活动性。
德谟克利特认为原子的不可入性（impenetrable）和具有一种密度的比例（densityproportionate）构成了它们的体积。这一观点影响到了牛顿用密度与体积来定义物体的质量（8）。现代，由于技术理性的进步，质量成为比密度更为基础的一个物理量。但在古代，密度与体积比现代意义上的质量更具有形而上的特征，“他们设定所受作用的本原就是浓聚和稀散（985b14-15）”。
德谟克利特有时也将原子的性质与人对物体的直接感觉联系在一起：“每个不可分的东西超过得越多，也就越重，所以很显然，它也就越热”（326a11）。德谟克利特还试图用原子和虚空的学说来解释许多复杂的自然现象。例如，他认为磁石和铁是由相类似的原子构成的，不过磁石的原子比铁原子更精细，磁石原子之间的空隙比铁原子之间的空隙要大得多，因此磁石原子的活动能力更强。由于原子的运动永远趋向于与它相类似的原子，所以，磁石的原子向铁移动，钻进了铁原子的空隙，使铁原子运动起来，并流向磁石。十分明显，他的这个解释是不符合现代科学的。但是他努力用自然本身的原因来解释自然现象的理性主义精神则是可贵的。
2、漩涡运动说
德谟克利特认为，宇宙之初，在无限的虚空中充满着无限多、大小不一、形状各异的原子，它们向不同方向凌乱运动，相互碰撞（正象现代气体分子的运动理论那样），从而形成一种漩涡运动。在漩涡运动中，相似的原子聚集在一起。这正像在筛子的旋动中，扁豆和扁豆、裸麦和裸麦分别聚拢在一起；波浪把狭长的石块与滚圆的石块分别冲在一起。圆形的、光滑的、最精细的和最活泼的原子结合在一起，形成火元素；钩形的、粗糙的、较大的原子聚集起来，形成土元素。另外一些相同的原子结合起来就成为水、气元素。之后，各种元素再结合成万物。转贴于
在漩涡运动中，轻的物体被抛到周围的虚空里；其余重的物质则留在漩涡中心，它们更加紧密地结合而形成最初的球形体。这个球形体由于来自中心的推动力而继续旋转着，邻近的物体不断附着在上面，最初是潮湿的泥沙，后来渐渐干涸，于是地球形成了。
在漩涡运动中被抛向外面的最轻物体燃烧起来，从而发出亮光，日、月、星辰也就产生了。我们生活在其中的世界就是这样形成的。德谟克利特认为，在无限的虚空中，原子形成的漩涡运动不止一个，所以从漩涡中产生的世界不是一个，而是无限。它们的大小各不相同。在一些世界中没有太阳和月亮；在另外一些世界中太阳和月亮比我们这个世界的要大，还有一些世界的太阳和月亮在数量上多于我们这个世界。一些世界有生物，另外一些世界则没有生物。
德谟克利特不但根据原子论详细地论述了世界产生的过程，而且还指出世界也会生长和衰落。他认为，一个世界达到鼎盛时期之后，就会逐渐解体，或者由于碰撞而毁灭。
德谟克利特的天体起源于漩涡的理论在天体演化学上有重要意义。近代哲学家笛卡尔和康德都是在继承他的漩涡说的基础上，提出了以近代科学为根据的新漩涡说。
不仅如此，德谟克利特在论述天体形成过程时，明确地提出了两个重要思想，它们是更值得我们重视。
一个是，他认为世界有无数个，它们是有生有灭的。没有一样东西是从无中来的，也没有一样东西在毁灭之后归于无。因为他看来，原子是永恒的，它们既不会产生，也不会毁灭。用它们构成元素、物质和世界，是属于物质形态的转化。
另一个重要思想是，德谟克利特认为世界的产生、成长和衰亡都遵照一种必然性。他把必然性理解为自然界固有的运动变化的规律及法则，以及事物之间的因果制约关系。在他看来，原子的自身运动是必然的，而由原子结合为一定的物体和结合为全部分繁多样的世界也是必然的，从而宇宙间发生的一切都是必然的，根本不存在偶然的事情。德谟克利特认为，“偶然性”这个概念是人们为了掩盖自己的无知而提出来的。他举例说（9），种橄榄挖地发现了一个宝藏，秃鹰从高空猛扑乌龟而撞破了自己的脑袋，看起来都是偶然的，细究起来，都有必然的原因。既然他认为万物都产生于漩涡运动，所以他就把漩涡视为万物生成的原因，并进一步把漩涡叫做必然性。不过，在现代人看来，承认必然性和规律性的决定论是正确的，但否定偶然性的存在，把一切都视为必然的机械决定论就是不正确的了。
3、影像说
德谟克利特在认识论上继承了恩培多克勒的“流射说”，提出了著名的“影像说”，进一步利用原子说来说明人的认识活动。德谟克利特的影像说对近代西方哲学的经验论产生了较大的影响。
在德谟克里特看来，肉体是由灵魂所推动的（409b1-2），而灵魂也是由原子组成的，生命是从原始的泥土里发展出来的，一个生活体全身处处都有一些火，但是在脑子里或者在胸中火最多。人是宇宙的缩影，因为人含有各种各样的原子。人的呼吸就是不断地把原子从人体中排出去，又不断地从空气中吸入人体，因此呼吸停止，生命便结束。思想也是一种物理的运动过程，且可以造成别的地方运动。他认为，由光滑的圆形原子构成的灵魂既是身体运动的动力，又具有认识的功能。他把灵魂的认识功能分为感觉和理智。感觉的功能由遍布全身的灵魂原子来承担；理智则是由灵魂的一个特殊部分“心灵”来完成的，心灵位于“脑中”。
德谟克利特主张，不管是感觉还是理智的认识，都是由组成外界事物的原子所流出的影像所造成的。在较广泛的意义上而言，“所有的感觉对象都是触觉对象（442b1）”。他认为，一切事物都不断地发射出一种波流，这种波流会把认识对象和眼睛之间的空气压紧，在湿润的眼睛中造成影像，然后影像进入脑子和脑膜，形成关于形状和颜色的视觉。他用同样的办法解释了听觉和其他感觉的产生。总之，他认为，感觉和思想生成于从外部世界所进入的影像。如果没有影像撞击，那么，任何人都不可能有感觉和思想。转贴于
德谟克利特尽管认为感觉是由事物的影像造成的，但他并不认为所有感觉都是对事物的性质忠实写照。只有关于形状和大小的感觉是反映事物本身的形状和大小的。因为原子本身有形状和大小，由它们构成物体也有形状和大小。有些性质如重量、密度与硬度实际上是在客体之内固有的。除此之外，“甜是从俗约定的，苦是从俗约定的，热是从俗约定的，冷是从俗约定的，颜色是从俗约定的，实际上只有原子和虚空”（10）。因为原子本身并不存在颜色、滋味和冷热的区别，所以由它们组成的物体本身也没有颜色、滋味和冷热的区别。但是，德谟克利特也没有把颜色、滋味和冷热等感觉完全视为主观自生的。相反地，他认为，它们的产生是有一定的客观基础的，这就是原子的形状和大小。例如，粗糙的原子会造成黑色的感觉（442b12-13），光滑的原子会产生白色的感觉；钩状原子产生辛辣的滋味，中等圆形原子产生甜的滋味。这样，德谟克利特在西方哲学史上最先提出两种性质学说。这种学说认为，物体的形状、大小、结构和运动等是第一性质，它们是物体本身固有的，关于它们的感觉是这些性质本身的“肖像”；颜色、气味、滋味等是第二性质，它们不是物体本身固有的，关于它们的感觉不是物体本身性质的“肖像”。这一学说为近代许多哲学家和科学家（11）如维维斯（Vives）、桑切斯（Sanchez）、蒙田（montaigne）康帕尼拉（Campanella）、布鲁诺、伽利略、波义耳、牛顿、洛克等所主张，特别是洛克，他对这一观点发展到了淋漓至尽的地步。由于这一观念涉及到人与自然的关系（12）、人与上帝的关系、人在宇宙中的地位问题，它对现代科学观念的发展产生了广泛的影响。特别是在现代物理学的动力因取代古代世界的目的因上，德谟克利特的这一思想显得更为珍贵。
德谟克利特不仅认识到感觉具有主观因素，而且也认识到感觉的局限性。德谟克利特称感觉为“暗昧的认识”，而把理性（思想）称为“真实的认识”（13）：“有两种认识，真实的认识和暗昧的认识。属于后者的是视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。但是真实的认识与这完全不同”。“当暗昧的认识在细微的领域中再也看不到、再也听不见、再也闻不出、再也尝不到、再也摸不到、而研究又必须精确的时候，真实的认识就参加进来了，它有一种更精致的工具”。他这里说的细微领域就是指构成的物体原子和虚空。原子和虚空是用感官无法把握的，所以只能用理智去认识。因为原子和虚空是物体的本原，所以他把通过理智得来的关于原子和虚空的知识称为真实的知识，并认为可以作为真理的尺度。相对而言，通过感觉得来的关于物体的知识，他称为虚假的知识，并且认为它没有能力正确地判别真假。
但是，德谟克利特也并不认为两种知识是完全对立和割裂开来的。他曾以感觉与理智对话的方式指出：“可怜的理智，你从我们这里获得证据，又想抛弃我们吗？我们被抛掉了，你也就垮台了”。这表明理性主义与经验主义在德谟克利特的思维中得到了汇合，他已经认识到理性的认识高于感性的认识，只有它才能如实地认识事物，但他也在同时清醒地看到，理性的认识离不开感性的认识，理性必须以感觉为出发点，只有这样才能够保证理性不陷入空想。
4、结束语
从德谟克利特、伊壁鸠鲁、鲁克莱修到道尔顿，原子作为宇宙之砖，以其不可分性而最终上升为科学本体论的基石。另一方面，将虚空作为存在提出，在人类思想史上也产生了重大的影响，因为它直接涉及到运动与物质的不可分割性。在本体论的意义上，虚空不再只是原子之间的空隙、原子运动的场所（14），它只能被理解是一种客观存在着的、非实体化的、连续态的“无”。列宁在《哲学笔记》中写道（15）：“一是古老的原子(和虚空)的原则。虚空之被认为是运动的泉源，不仅由于地方空着这个意思，而且还由于它包含有‘更深一层的思想：在否定的东西中一般都包含着生成的根据，自己运动的不安根据’”。虚空范畴在历史上的演化轨迹也使我们将目光于亚里士多德的“天然处所”的猜测，即轻的东西上升，因为天是它的天然处所；重的东西下降，因为地是它的天然处所。德谟克里特理论逻辑发展的结果便似乎是牛顿的绝对空间的理论，问题仅是在于这种理论遇到的困难乃是必须把实在归之于“不存在”。尽管如此，原子论派的世界要比任何其他古代哲学家的世界都更接近于实际的世界。
德谟克里特认为，宇宙之中并没有目的，只有被机械的法则所统驭着的原子。他不相信流俗的宗教，也反驳过阿那克萨哥拉的nous。他对于漩涡加以机械的解释而不以心的作用来解释。
德谟克里特提出了前苏格拉底自然哲学最系统，且适于一切物体的理论（325a1）。原子论和影像论的学说，是前苏格拉底自然哲学的终结，它使德谟克利特步上了希腊唯物主义思想的高峰。德谟克里特的原子论和柏拉图的相论、亚里士多德的哲学体系合称为希腊哲学的三大体系。原子论对后来哲学和科学的发展都产生过深远的影响。我们现在在物质的“基本结构粒子”方面所知道的东西要比德谟克里特所知道的多得多。然而，我们不知道，他的粒子概念还将把我们引向多远（16）。在我们看来，以下问题是值得考虑的：物质是否有最终的基本粒子？这些基本粒子的始基何在？究竟有没有这样一种始基？
参考文献
苗力田主编。亚里士多德全集。中国人民大学出版社，1991，11，1版。
（1）罗素著，何兆武、李约瑟译。西文哲学史，上卷。商务印书馆，1963，9，1版，96。
（2）《马克思恩格斯全集》，第三卷，人民出版社，1960，1版，146。
（3）彭越、陈立胜著。西方哲学初步。广东人民出版社，1999，5，2版，40。
（4）Democritus(460-370BCe.)theinternetencyclopediaofphilosophy.
utm.edu/research/iep/d/democrit.htm
（5）彭越、陈立胜著。西方哲学初步。广东人民出版社，1999，5，2版，42。
（6）〔德〕乌·罗塞堡著，朱章才译。哲学与物理学。求实出版社，1987，1，1版32。
（7）yan(雁)。力是维持物体运动的原因吗？中国园丁网物理王国。发表时间00.08.2314:36
（8）〔英〕伊萨克·牛顿。自然哲学之数学原理。陕西人民出版社，2001，1，1版，5。
（9）谭鑫田橄榄色的智慧—古希腊哲学漫谈zhenyuan.sdedu.net/resource/book/edu/KptS/tS004075/0010_ts004075.htm
（10）周辅成编。西方论理学名著选辑上卷。商务印书馆，1964，10，1版72。
（11）埃德温·阿瑟·伯特近代物理科学的形而上基础五、对新形而上学的第一表述——因果性、量、第一性质和第二性质 zhenyuan.sdedu.net/Resource/GZ/GZwL/wLBL/wLS00006/6249_SR.htm
（12）徐向东伯特《近代物理科学的形而上学基础》译序phil.pku.edu.cn/post/show.php?op=pap&sid=30
（13）宫雄飞。寻觅唯光论的芳踪。chinathink.net/free/show.asp?id=177
（14）王齐。虚空—原子旋涡论。chinathink.net/
（15）《列宁全集》第38卷。人民出版社1959年版，116。
科学小实验漩涡的原理篇5
【关键词】万有引力来源排斥力作用地球黑洞可能的大小
哲学基础。早在中国古代的道家，很早就认为万物总是相生相克，有阴就有阳，有明就有暗，自然之理。而在西方的辨证法哲学也认为事物总是既对立又统一的发展着的。
随着现代科学的发展以进步，我们知道，人类生活的地球是因为和太阳的引力作用而围绕着太阳旋转的，按照万物相生相克的原理和对立又统一的发展的关系，既然太阳和地球有引力作用，而又没有相互吞噬掉，即它们之间是不是也应该有排斥力呢？那么太阳和地球之间的引力和排斥力又是如何产生的呢？我认为地球的万有引力来源靠的是地球内部核心物质的高速旋转力而产生的，一旦地球内核不转了，我们也可能就没有了重量，哈哈黑洞的中心点转速应该超过光速，所以光也跑不了，黑洞可能并不象现在普遍认为的把物质压缩到一个点上，可能只是仅仅靠一些超级物质，产生了超级巨大的能量和引力，并可以轻松转化物质，不知道这是不是黑洞的本质呢？
这样黑洞虽然引力大的可怕，但也就不再那么神秘和不可理解了是不是呀！
星体之间既相互吸引又相互排斥。这也可能是黑洞没有吃掉我们太阳系的原因吧。也就是说黑洞可能会抢夺物质，但并没有把物质压缩到一个原点上。那么我们地球的核心有没可能会是一个迷你的超过光速旋转的“小黑洞”呢？仰望星空我们看得到的恒心的中心，会不会都是有一个“小黑洞”呢？
关于这点我们可以从黑洞，中子星，太阳{恒星}，地球{行星}，它们之间的相似程度看到它们彼此的密切关系：1都是圆形{黑洞现观测不到但普遍这么认为}2都有自转3都有万有引力4都有磁场5都有时空漩涡……太像了，也许黑洞，中子星，恒星，行星，它们之间只是一个能量级别的差距……我认为关键是：地球的“小黑洞”中心点和太阳的“黑洞”中心点又是通过超过光速旋转的点而相互排斥的，但它们又疯狂的想吸引对方所拥有的物质，渐渐的把开始混沌的空间拉成现在极度寒冷和接近真空.....
请看以下分析：
（1）早在三百多年前，英国著名科学家牛顿创造了万有引力定律，但他却无法解释万有引力是如何产生的，后来甚至猜想地球的核心可能有一个“永动机”来解释地球万有引力来源。而近代有些科学家也提出了地球核心是靠物质衰变的永动机原理来解释地球的磁场现象，其实都是在为地球核心存在超高能量物质找寻理论依据，最近科学家观测发现越到地球的核心地方，地球的自转速度越快，观测证据显示地球的内核自转可能要比地球外壳快，一年相差约2度。虽然数值很小，但却充分说明了地球自转的能量来源问题，即地球的自转是靠地球内部自身能量带动的，而不是外力来推动的，否则的话以地球的构造应该是地壳自转速度快过地核。
（2）离地心越近重量越大……我们知道地球一个赤道略鼓而两极略扁的球体，如果按照质量引力理论应该是两极重量略重，赤道重量略轻呀！可事实为什么是物体在两极重赤道轻呢？有人认为是离心力的作用，但在同一纬度的地方为什么物体在高山上略轻而在平原上会略重呢？于是又有人说是大气压力的作用，但为什么重力加速度的数值会随海拔高度增大而减小，随纬度的升高变大呢？可见应该是离地心越近重量越大，也就是说把1000吨和1吨重的同种物质放在地球任何一个引力点上，排除其它干扰，它们重量的变化比率都应该是一样的。1997年诺贝尔物理学奖得主斯坦福大学美籍华人物理学家朱棣文教授领导的一个小组通过“坠落”原子而精确算出了单个原子所受的重力加速度并发现这一重力加速度与由数十亿原子组成的重力加速度相同，这一结果被物理学界视为意大利学者伽利略著名的“比萨斜塔试验”的现代翻版。可间万有引力应该不是物质质量间的相互作用力，而是由一个由星体核心超能量物质提供的一个场的概念。在地球核心物质提供的引力场内，一般情况下任何一点的引力大小是不会变的，越靠近地球核心引力场越强，物质的重量越大。
（3）一个有趣的天文现象，行星离太阳之间的距离是以密度来划分的即：
密度（g/cm3）1.水星5.432.海王星1.金星5.253.地球5.524.火星3.955.木星1.336.土星0.697.天王星1.298.海王星1.64。
这里似乎地球不不符合.但如果加上月球[g/cm3.350]的密度，月球的体积只有地球的1/49，质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/80左右.和地球平均一下又符合了.[天王星1.29海王星1.64都已确定都有大量的卫星，但暂无它们卫星数据]
即太阳系行星的平均密度越大离太阳就越近，行星的平均密度越小离太阳就越远，而不是由行星的质量来决定的。如果按质量引力理论，行星离太阳距离不是应该质量越大引力越大，离太阳越近吗？可事实却不是这样的。
（4）还有行星自转的越快离太阳越远，说明可能是星体自转的越快它的能量越大，排斥力也越大。
（5）今天就连小孩子都知道宇宙在逐渐扩大。{宇宙大曝炸理论}也就是说，星系在渐渐互相远离。但是如果说按质量万有引力定律学说，星系应该互相靠拢才对呀。但如果它们之间若除了引力还有相互排斥力存在，那理所当然会相互远离而去了...最新观测显示地球以每年7厘米左右还远离太阳，月亮以每年2厘米左右远离地球…美国国家航空航天局的钱德拉以及欧洲宇航局的Xmm-牛顿X射线天文观测站天文学家认为，一颗接近太阳大小的恒星受到另外一颗恒星的作用改变了轨道并开始靠近黑洞，在黑洞的强大重力作用下，这颗恒星被拉伸，撕裂。这个黑洞吞噬了这颗恒星约1%的质量，并将剩余部分抛向宇宙空间。德国马克斯・普朗克天体物理研究院的天文学家将这一过程描述为“大卫王与巨人哥利亚之战”，可惜结果是大卫王失败。{注为什么这个黑洞只是吞噬了这颗恒星约1%的质量，并将剩余部分抛向宇宙空间，排斥力作用吗？
（6）很好解释了地球磁场产生的原因。一直以来地球磁场产生的原因有多种说法：如永磁体说、电流说、发电机理论.....等。但假如说地球核心有一个超高速旋转的“小黑洞”为地球提供强大的磁场，这个问题便非常简单了。
（7）地球核心内部小黑洞的可能大小。理论上，太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米该值的含义是，只不过史瓦西半径只是解决了{黑洞}大小问题，却没设定它是自转的，而我认为这个点应该是超高速旋转的.
（8）时空漩涡。为什么说地球核心可能是一个高速度旋转的小黑洞呢？那就是时空漩涡。据美国宇航局网站报道，科学家们经过仔细的检测，发现地球周围确实存在时空漩涡，并且其各项参数和爱因斯坦广义相对论预言的完全符合地球附近空间存在的时空漩涡，在其它大质量天体附近也一样存在，如中子星，黑洞和活动星系核等，只不过那里的时空漩涡更加剧烈，规模更加大而已。
可见我们可能就生活在“小黑洞”加上万有引力的基础上引入排斥力概念，就可以基本解决现有天体物理大部分疑惑了。
科学小实验漩涡的原理篇6
关键词：冲击射流；射流形状；压力特性
中图分类号：tV135.2文献标志码：a文章编号：1672-1683（2014）06-0089-04
处于狭窄河谷中的高坝工程，其泄洪消能是工程的关键性技术问题，主要采用坝身孔口泄洪和岸边泄洪相结合的泄洪消能方式，而通过坝身宣泄洪水是最为经济的一种泄洪消能形式[1]。
目前，高坝坝身泄洪消能多采用坝身泄洪表深孔挑跌流水舌空中碰撞+下游水垫塘的泄洪消能方式，射流水股横向充分扩散，纵向尽可能分散分区入水。如二滩拱坝坝身泄洪采用表孔大差动及深孔挑流，使下泄水舌纵向分层分散分区入水，下游水垫消能的泄洪消能方式，取得了较好的效果[2-3]。但水舌横向扩散受其自然扩散能力及下游溢流断面宽度的限制，并且水舌空中碰撞消能存在使泄洪雾化显著增强的问题[4-5]。为此，李乃稳等[6]通过试验提出了将宽尾墩及窄缝收缩式消能工分别应用于高拱坝表、深孔，获得横向收缩、竖向及纵向扩散的窄长水流，从而实现表、深孔下泄水流空中相互穿插而无碰撞下泄。为了验证表、深孔下泄水流空中相互穿插而无碰撞下泄的可行性，李乃稳等[7-9]通过试验及数值模拟对宽尾墩应用于高拱坝表孔进行了较为系统的研究，张晓哲等[10]也研究证实，宽尾墩及窄缝收缩式消能工的应用都能获得窄长形水流。上述水舌空中碰撞消能模式和水舌空中无碰撞消能模式，主要是通过横向扩散式及纵向收缩式消能工获得横向充分扩散或纵向充分拉长的水流，增加水舌的入水面积，实际上是通过改变坝身泄洪水流的入水形状，进而增加水舌的入水面积和分散度，从而减小下泄水流在水垫塘单位面积上的集中强度，增加下泄水流与下游水垫塘水体间的剪切、掺混及紊动，达到消能的目的。但是以往的研究主要集中在坝身多股下泄水流在水垫塘内的整体消能效果，却很少关注下泄水流形状对水垫塘动水压力特性的影响。
李福田[11]通过数值模拟计算的方法对不同截面宽厚比射流进行了研究，发现三维淹没冲击射流的轴线流速随射流截面宽厚比的增加而衰减加快。但由于计算模型是垂直射流入水，无法得出峡谷区高拱坝射流横向入水和纵向入水对水垫塘压力的影响。卫望汝等[12]通过试验得出“射流掺气条件下随着水股宽/厚值的增大，射流沿程的能耗增加，射流速度衰减加快”的结论。本文在前人研究的基础上，通过大量的物理模型试验，研究在不同上游水位和下游水垫深度情况下，射流出口不同长宽比条件下射流在水垫塘底板上的冲击动压特性。
1试验设计
1.1试验装置
试验装置见图1，上游水箱尺寸为100cm×50cm×60cm下游水槽尺寸为160cm×40cm×50cm。在水垫塘底板射流冲击区每隔2.5cm设置一个测压孔，顺水流方向19排，垂直水流方向10列，共计190个。射流通道采用有机玻璃制作并控制射流形状。定义顺水流方向为射流长度L，垂直水流方向为射流宽度B。射流截面面积为10cm2，在试验过程中保持不变。射流出口长宽比为1∶10、1∶8、1∶6、1∶4、1∶2及2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1，由横向的宽扁形射流变为纵向的窄长形射流。冲击动压采用测压管方式测量，时均冲击动压为
式中：pmax、pmin、分别为测压管所测得的最大、最小瞬时压强；γ为水的容重；h2为射流水舌上游水垫塘静水区水深。
脉动压强采用CY201型压力传感仪测量，采样频率设定为100Hz，时间为25s，样本容量共计2500个。
1.2试验工况
为研究射流形状对底板冲击压力的影响，实测了4个上游水位h1（20cm、30cm、40cm及50cm）、4个下游水位h2（15cm、20cm、25cm及30cm）、10种射流长宽比条件下水垫塘底板上的时均冲击动压和脉动压强，共计160个工况。
试验发现，在小比尺模型试验中，射流出口在水面以上的位置会因射流入水卷吸空气对冲击压力值产生较大的影响。如当射流长宽比L/B=10∶1时，若射流出口位于水面以上6cm，则冲击动压峰值为7.6hpa；若射流出口位于水面以上2cm，则冲击动压峰值为8.3hpa；若射流出口淹没于水面以下1.5cm时，则冲击动压峰值为11hpa。因此为防止射流入水卷吸空气对冲击动压造成影响，射流出口统一淹没于水面以下1.5cm。
2结果分析
2.1水流流态
保持射流出口断面面积不变，随着射流出口L/B的增加，射流水舌形状由横向扩散宽扁形逐渐变为纵向扩散窄长形，射流与下游水体相互剪切的外包络线由22cm减小至13.4cm后再增加至22cm，射流与水体间的剪切强度先减小后增大。
对于横向入水的宽扁形射流，在射流下游产生较大的随机性纵向漩涡，水面起伏较大，射流上游也出现随机性纵向漩涡，但相对下游漩涡而言较小，并且出现概率明显减小；水垫塘横向上存在较小的横向漩涡。对于纵向入水的窄长形射流，射流上、下游漩涡较小，并且出现概率降低，水流比较平稳；射流两侧漩涡相对大些，出现概率明显增加，但漩涡明显比宽扁形射流入水时产生的漩涡小。
另外，窄长形射流在水垫塘内的入水点相对稳定，而宽扁形射流则受上、下游较大的纵向漩涡影响而产生小幅度上下游移的现象。
2.2时均冲击动压分布
由图2可以看出，在h1=40cm、h2=20cm时，水垫底板上的时均冲击动压分布情况。
对于宽扁形射流，受射流形状影响，其在水垫塘的冲击动压分布存在垂直于水流方向的峰值区，且随着L/B值的增加，压力分布范围明显减小，最大时均冲击动压值明显增大。例如L/B=1∶10时，最大时均冲击动压值为8.9hpa；而当L/B=1∶2时，最大时均冲击动压值为24.8hpa。
对于窄长形射流，受射流形状影响，其在水垫塘的冲击动压分布存在平行于水流方向的峰值区，且随着L/B值的增加，压力分布范围明显增大，最大时均冲击动压值明显减小。例如L/B=2∶1时，最大时均冲击动压值为19.35hpa；而当L/B=10∶1时，最大时均冲击动压值为11hpa。
对比两种射流在水垫塘底板上的时均冲击动压分布可知，宽扁形射流在水垫塘底板上的时均冲击动压分布范围偏大，但最大时均冲击动压值Δpmax偏小，为8.9hpa，相比窄长形射流时减小了19%（窄长射流时Δpmax=11hpa）。究其原因，虽然两种射流与周围水体的剪切作用面积相同，但L/B=1∶10的宽扁射流为垂直水流方向入水，射流上游漩涡小，相对较稳定，而下游漩涡较大且紊动强烈，射流因周围水体的强烈紊动而发生随机性小幅度的上下游移，造成压力分布范围增大且Δpmax减小。这与邓军[13]提出的“宽而扁的水舌适应水位变化的稳定性较差，容易随下游水位的升高或降低而潜底或上漂”观点类似。而L/B=10∶1的窄长射流在周围引起的紊动漩涡相对较小，射流没有因周围水体的紊动而产生左右游移，并且在下游水垫内，纵向入水的窄长射流受水垫塘内水体整体流动的影响而产生纵向集中现象，从而造成其Δpmax偏大，且分布范围偏小。
2.3射流形状对Δpmax变化规律
图3为宽扁形及窄长形射流最大时均冲击动压随射流孔口长宽比的变化。为了对比方便，不同长宽比值在横坐标中取相同间距。
由图3可知，不同上、下游水位条件下，射流在水垫塘底板上的最大时均冲击动压随射流孔口长宽比的变化具有相同的趋势，都是随着L/B的增大而先增大后减小。例如h1=20cm、h2=20cm条件下，宽扁形L/B=0.1的Δpmax=7.35hpa，L/B=0.5的Δpmax=20hpa，后者增加了172.1%；窄长形L/B=2的Δpmax=15.7hpa，L/B=10的Δpmax=9.4hpa，后者减小了40.1%。这是因为射流面积相同的情况下，L/B=0.1或10时，射流与周围水体剪切的外包络线为22cm，而射流短边长度为1cm；射流L/B=0.5或2时，外包络线只有13.4cm，而射流短边长度为2.2cm。射流出口面积与出口流速均相同的情况下，射流与水垫塘水体之间的剪切层面积越大，时均流动能转化为水体的紊动能就越多，且水体越薄，则射流与周围流体交界处的混掺就越容易沿短轴方向发展到射流中心，中心流速减小，最大时均冲击动压也就减小。说明相对常规形状，窄长形及宽扁形射流在水垫塘内消能要更充分。
另一方面，L/B=0.1时Δpmax比L/B=10时Δpmax偏小了21.8%。其原因已在文中分析过，此处不再赘述。同时L/B=0.5时Δpmax比L/B=2时Δpmax偏大27.4%。这可能是由于L/B=0.5的宽扁形射流在射流下游易产生较大的随机性纵向漩涡，有时射流孔口都露出水面，致使下游水位降低，实际的水垫深度减小，从而造成水垫塘底板上的Δpmax偏大。宽扁形及窄长形射流孔口对水垫塘底板压力影响的机理性还有待进一步研究。
根据图3，当水垫深度较深时，最大时均冲击动压随长宽比增大而先增大后减小的幅度不大，例如h1=50cm、h2=30cm条件下，L/B=2时Δpmax=12.75hpa，比L/B=10时Δpmax=7.3hpa增加了5.45pa；在水垫深度较浅时，最大时均冲击动压随长宽比增加而先增大后减小的幅度较大，例如h1=50cm、h2=15cm条件下，L/B=2时Δpmax=32.9hpa，比L/B=10时Δpmax=18.2hpa增加了14.7hpa。这是因为在水垫深度较深时，不同长宽比的射流沿程消耗的能量都比较多且射流几乎都充分发展，所以在底板上的最大时均冲击动压随长宽比的变化幅度不大；而当水垫深度较浅时，宽扁形射流随着L/B的减小，窄长形随着L/B的增大射流与周围静止水体之间的剪切层面积较大，且水体较薄，在一定的射流沿程内能够消耗更多的能量，而宽扁形射流随着L/B的增大、窄长形随着L/B的减小（射流截面形状更接近正方形），在较短的流程内消耗的能量要少，故在水垫深度较浅时，底板上的最大时均冲击动压随长宽比变化的变化幅度较大。可见，在水垫深度较浅时，宽扁形射流随着L/B的减小，窄长形射流随着L/B的增大在消能方面的优势更加明显。
2.4脉动压强
一般以水垫塘底板压力脉动的均方根值来衡量射流引起的脉动压强的大小。图4描绘了不同工况下水垫塘底板脉动压强的分布情况，单位为hpa。对比时均压强分布发现，水垫塘底板上脉动压强分布规律与时均压强分布规律相同，两者都是从冲击中心向四周变小，并且最大脉动压强点与最大时均冲击动压点基本重合；当长宽比较小或较大时，脉动压强分布相对坦化一些，数值也偏小。例如L/B=1∶10时最大脉动压强为5.65hpa，L/B=2∶1时为9.2hpa，L/B=10∶1时为4.77hpa。
根据试验数据，各工况下水垫塘底板脉动压强振幅概率分布的偏态系数CS在0.05～0.81之间，峰态系数Ce在2.81～3.91之间，基本符合正态分布（CS=0，Ce=3）规律，这与前人得出的规律一致[14-15]；各工况下脉动压强功率谱的优势频率主要集中在0～15Hz的低频段。
3结论
本文通过模型试验的方法研究了单股斜向淹没冲击射流形状、上游水位以及下游水垫深度对水垫塘底板压力特性的影响，得出以下结论。
（1）随着射流出口长宽比L/B的变化，射流以横向宽扁形或纵向窄长形入水。射流入水后与周围水体剪切、混掺、紊动，产生随机性漩涡，但宽扁形射流与窄长形射流所产生的涡大小及造成水体紊动强度不同，窄长形射流入水后产生的涡较小且下游水体更加稳定。
（2）随着射流出口长宽比L/B的增加，不同形状射流在水垫塘底板上的压力分布也发生变化：宽扁形射流在水垫塘底板上的最大时均冲击动压Δpmax增大，而窄长形射流的Δpmax减小。
（3）无论宽扁形射流还是窄长形射流，随着上游水位的增加，Δpmax增大，冲击动压分布范围略有增大；随着下游水垫深度的增加，Δpmax减小，冲击动压分布范围增大。
（4）脉动压强分布规律与时均冲击动压分布规律相同。最大脉动压强点与最大时均冲击动压点基本重合。压强脉动分布基本满足正态分布规律，频率主要集中在低频。
参考文献（References）：
[1]刘沛清.高拱坝泄洪布置形式与消能防冲设计中的若干问题探讨[J].长江科学院院报，1999，16（5）：17-21.（LiUpei-qing.inquiryuponsomeproblemsonflood-relieflayoutanddissipation-energydesigninhigharchdam[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchinstitute，1999，16（5）：17-21.（inChinese））
[2]尹大芳，饶宏玲，苏玮.二滩拱坝的泄洪消能设计[J].水电站设计，1998，14（3）：27-31.（YinDa-fang，RaoHong-ling，SUwei.Flooddischargeandenergydissipationdesignofertanarchdam[J].DesignofHydroelectricpowerStation，1998，14（3）：27-31.（inChinese））
[3]肖富仁.二滩水电站枢纽布置与泄洪消能[J].水电站设计，1986（1）：74-86.（XiaoFu-ren.thelayoutofhydro-junctionandtechniqueofflooddischargeandenergydissipationforertanarchdam[J].DesignofHydroelectricpowerStation，1986（1）：74-86.（inChinese））
[4]苏玮.二滩拱坝表孔、中孔初期运行情况及评价[J].水电站设计，2001，17（3）：18-19.（SUwei.evaluationofsurfaceoutletsandmid-leveloutletsofertanarchdam[J].DesignofHydroelectricpowerStation，2001，17（3）：18-19.（inChinese））
[5]李旭东，游湘，黄庆.溪洛渡水电站枢纽泄洪雾化初步研究.水电站设计[J].2006，22（4）：6-11.（LiXu-dong，YoUXiang，HUanGQing.preliminarystudyonxiluoduhydroelectricprojectflooddischargeatomization[J].DesignofHydroelectricpowerStation，2006，22（4）：6-11.（inChinese））
[6]李乃稳，许唯临，周茂林，等.高拱坝坝身表孔和深孔水流无碰撞泄洪消能试验研究[J].水利学报，2008，39（8）：927-933.（Linai-wen，XUwei-lin，ZHoUmao-lin，etal.experimentalstudyonenergydissipationofflooddischargeinhigharchdamswithoutimpactofjetsinair[J].JournalofHydraulicengineering，2008，39（8）：927-933.）（inChinese））
[7]李乃稳，许唯临，刘超，等.高拱坝表孔宽尾墩水力特性试验研究[J].水力发电学报，2012，31（2）：56-61.（Linai-wen，XUwei-lin，LiUChao，etal.experimentalstudyonhydrauliccharacteristicsofflaringgatepiersofsurfacespillwayinthehigharchdam.JournalofHydroelectricengineering[J].JournalofHydroelectricengineering，2012，31（2）：56-61.（inChinese））
[8]李乃稳，许唯临，田忠，等.高拱坝表孔宽尾墩体型优化试验研究[J].水力发电学报，2009，28（3）：132-138.（Linai-wen，XUwei-lin，tianZhong，etal.optimalexperimentalstudyonflaringpiersofsurfacespillwaysinhigharchdam[J].JournalofHydroelectricengineering，2009，28（3）：132-138.（inChinese））
[9]李乃稳，许唯临，张法星，等.高拱坝表孔宽尾墩流道内水流特性的数值模拟研究[J].四川大学学报：工程科学版，2008，40（2）：19-25.（Linai-wen，XUwei-lin，ZHanGFa-xing，etal.Studyonnumericalsimulationof3-Dflowformedbyflaringgatepiersonsurfacespillwaysinhigharchdams[J].JournalofSichuanUniversity：engineeringScienceedition，2008，40（2）：19-25.（inChinese））
[10]张晓哲，李乃稳，李龙国，等.窄缝挑坎在高拱坝深孔中的初步应用研究[J].水利水电技术，2012，43（6）：23-27.（ZHanGXiao-zhe，Linai-wen，LiLong-guo，etal.preliminaryapplicationofslit-typeflipbuckettobottomoutletofhigharchdam[J].waterResourcesandHydropowerengineering，2012，43（6）：23-27.（inChinese））
[11]李福田.三维冲击射流截面宽厚比对动水冲击压力的影响[J].水利学报，2005，36（10）：1230-1235.（LiFu-tian.influenceofrectangularimpingejetsaspectratioonimpactpressure[J].JournalofHydraulicengineering，2005，36（10）：1230-1235.（inChinese））
[12]卫望汝，邓军，刘斌，等.掺气对射流轴线速度衰减影响的试验研究[J].四川大学学报：工程科学版，2011，43：29-33.（weiwang-ru，DenGJun，LiUBin，etal.experimentalinvestigationontheeffectsofaerationonthevelocityattenuationofjetflow[J].JournalofSichuanUniversity：engineeringScienceedition，2011，43：29-33.（inChinese））
[13]邓军，许唯临，张建民，等.一种新型消力池布置形式-多股水平淹没射流[J].中国科学e辑：技术学，2009，39（1）：29-38.（DenGJun，XUwei-lin，ZHanGJian-min，etal.anewtypeofstillingbasin-horizontalsubmergedjets[J].ScienceinChina（Seriese）：technologicalScience，2009，39（1）：29-38.（inChinese））
科学小实验漩涡的原理篇7
【关键词】便携式气体超声波流量计；榆林气田；建标；应用
引言
随着榆林气田天然气勘探开发的不断深入，天然气计量已成为天然气开发与管理中的一项重要工作，长庆采气二厂单井计量及集气站外输均采用孔板流量计，为保证计量准确性，应定期对其进行检测。为此，我厂天然气计量站采用1010DVn便携式气体超声流量计对集气站孔板流量计进行了比对测试，取得了较为满意的结果。
1、气体超声波流量计原理
超声波流量计采用数字式多脉冲multipulsetm时差技术。每声道的两个宽束超声波换能器，互为发射和接收换能器。利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流速，根据管道截面积计算出流体工况下体积流量。图1为超声波流量计原理示意图。
图1超声波流量计原理
2、便携式气体超声流量计的建标
2.1计量标准的量值溯源和传递框图
2.2计量标准器参数
测量范围：（5～2558）m3/h；Dn（80～200）mm，精度等级1.0级。
2.3计量标准的重复性考核
相同的测量条件下，选取编号为001，量程为（0-250）m3/h的旋进漩涡流量计进行检定，受检点为150.00m3/h，测量10次数据如下：单位（m3/h）
150.29；150.30；150.31；150.30；150.31；
150.28；150.28；150.29；150.31；150.31
则由贝塞尔公式得出，计量标准的测量重复性为
2.4计量标准的稳定性考核
在工作条件不变情况下，选一块性能稳定编号为001，量程为（0-250）m3/h的旋进漩涡流量计，间隔两个月测量一组数据，受检点为150.00m3/h，得测量值如下表所示：
该便携式气体超声流量计检定装置的稳定性为测量结果中最大值和最小值之差，即0.030m3/h。
2.5检定或校准结果的测量不确定度评定
测量不确定度的评定依据JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》的规程，使用的计量术语是JJF1001-1998《通用计量术语及定义》的规定。
2.5.1测量方法及条件
便携式气体超声波流量计采用直接比较法进行测量，选用一个稳定较好的旋进漩涡流量计，通过标准器的检定值比较便可得到测量条件下被检旋进漩涡流量计的示值误差。
（1）环境条件：（-5～35）℃、（45～85）%RH、（86～106）kpa
（2）测量范围：（5～2558）m3/h
2.5.2建立数学模型
式中：为被检旋进漩涡流量计的示值误差，单位为m3/h；qx为被检游标卡尺的实际指示值，单位为m3/h；为该便携式超声波流量计检定值，单位为m3/h。
其中灵敏度系数：
2.5.3a类测量不确定度的评定u1
用便携式超声波流量计对编号001，量程为（0-250）m3/h的旋进漩涡流量计进行检定，进行10次连续性重复独立测量，得到测量列150.29m3/h、150.30m3/h、150.31m3/h、150.30m3/h、150.31m3/h、150.28m3/h、150.28m3/h、150.29m3/h、150.31m3/h、150.31m3/h。
测量的平均值为：
由贝塞尔公式得出：
自由度：
2.5.4B类测量不确定度的评定u2
由便携式超声波流量计引起的标准不确定度分量ux1：
根据重复测量结果得出置信区间[x-a，x+a]，估计xi的变化范围（半宽）a为0.1279m3/h，误差服从均匀分布：
包含因子：
则B类不确定度：
估计其不可信度为10%，故自由度为：
环境温度引起的标准不确定度分量ux2：
因检定温度引起的标准不确定度，因温度控制在（-5～35）℃范围内，因而可以忽略不计。
综上所述，B类测量不确定度为：
2.5.5合成标准不确定度的评定
合成标准不确定度的计算：
因输入量dx和dn彼此相互度独立，互不相干，所以合成标准不确定度可按下式求得：
因为c1=1，c2=-1
合成标准不确定度uc的有效自由度为：
2.5.6扩展不确定度的评定
取置信概率为，按有效自由度，查t分布表得：。
扩展不确定度为：
2.5.7测量不确定度报告
用便携式超声波流量计对编号001，量程为（0-250）m3/h的旋进漩涡流量计进行检定的结果的扩展不确定度为：
3、便携式气体超声流量计的现场应用
为了降低在线检测比对的误差，应精心操作，遵循以下操作步骤，尽量减少人为因素造成的测量误差。
3.1测量点的选择
正确选择测量点，准确地测量管道参数，是减少附加比对测试误差的前提条件。为此必须做到以下两点：一是测量点应选择在管道上游10倍以上、下游5倍以上管径长度的直管段上，测量点处应无焊缝、无振动及无电磁干扰源等；二是由被测单位提供测试管道设计参数，现场用卡尺或钢卷尺和超声波测厚仪对管道外径及壁厚进行复核，为减小误差，管道外径及壁厚应进行多点测量后取其平均值。
3.2安装换能器
将管道外经、壁厚和管道材质数据输入流量计主机。为减小管道噪音信号对测量结果的影响，应在管道外壁粘贴CC129a型气体耦合剂薄膜，贴时应尽量减少气泡的产生，如产生气泡应将气泡弄破，释放出气体。
3.3气体参数的设置
由环境监测站提供气体的组分、比热率、粘度等可靠数据，现场输入被测点气体的温度、压力参数。组份用于计算气体压缩因子，比热率用于计算气体的平均比重，粘度用于进行流态补偿计算。
该计量标准经过了陕西省计量科学研究院的检定，准确度等级达到了1.0级。为进一步验证其现场检测精度，我们在作业二区榆21站外输天然气计量管线上进行了测试，与外输孔板流量计进行了比对，测量的相对误差均未超出±1.0%的范围，说明选用的1010DVn便携式气体超声波流量计精度符合现场测试要求，孔板流量计计量误差在有效范围内。
4、结论
为进一步提高1010DVn的在线测量精度，在使用中需要注意以下几点：
①不同型号的1010DVn换能器所适用的管道外径、壁厚和被测介质最低压力等数据是不同的，要确保提供的参数在其适用范围内；另外，管道外径与壁厚比为15：1或更大时性能最佳，小到5：1时测量效果会变差。
②测试中现场提供的温度、压力数据在测量过程中是否稳定，影响到最终的测量精度。根据气体状态方程可以估算出，温度相差1℃，流量测量结果会相差0.3%左右，压力相差0.1mpa，流量测量结果会相差1.3%左右。
科学小实验漩涡的原理篇8
一科学应被看成是从问题到问题而进步的，随着这种进步，问题的深度也随之加深。科学从问题开始，并通过问题的转移而进步的模式给人以启迪，从而有所发现、建构出新的理论。可以说，问题就是科学的血液，就是科学的生命。即使我们已经证明某问题为不可能，对科学的发展照样有益，如永动机的否定导致了能量守恒定律的发现，就是明证。有时我们对旧问题有了更好的理解时，新的问题往往随之而生。问题的逻辑告诉我们，只有提出问题才能分析问题与解决问题。有些人茫然无知或者对现象熟视无睹，是不可能提出问题来的，分析与解决问题也就无从谈起。从这个意义上说，提出问题比解决问题更重要。正如爱因斯坦说过的那样：“解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”这种见解是何等的深刻！提问题的本身就意味着创造性思维的开端。问题提的不好，说明认识还不够完善；问题提得好，则意味着已确定了一个正确思维的方向，剩下的问题就是结合有关知识如何分析与解决问题了。但要真正解决问题，还需要有关背景知识，将分析与解决问题的整个过程各个序列进行正确的衔接和结合，并且要决定在什么地方、什么时候使用怎样的推理和论证。
譬如，美国麻省理工学院机械系主任谢皮罗教授关于容器里流水漩涡的旋转方向与地球自转有关的论断，开始就是通过洗澡观察到的现象所引发出的问题。洗澡，一件普通事情。洗完澡把浴盆的塞子一拔，水就流出，有谁去注意它呢？但是，谢皮罗教授却是个有心人，他敏锐地注意到：每次洗澡，水流出的漩涡总是向左旋转的，即逆时针方向流出的。难道这是特殊现象吗？他又自行设计了一个碟形容器，将水灌满。每当拔掉碟形容器的塞子时，碟里的水也总是形成逆时针的小漩涡。于是，他推想：放水时的漩涡向左旋转决非偶然，而是一种有规律的现象。谢皮罗由洗澡所看到的现象得到启发，后又通过其它类似情况的考察，提出问题、分析问题，通过归纳推理悟出了一般性的道理，并循此继进，进一步探索，终于找到了产生这一现象的原因。1962年，谢皮罗，认为这种现象与地球自转有关。由于地球是自西向东旋转，而美国又地处北半球，所以由于地心吸力的影响，容器里的水总是沿逆时针方向旋转的。谢皮罗由此推论，北半球的台风同样是逆时针方向旋转的。他还断言，如果在南半球则正好相反，即洗澡水是按顺时针方向形成漩涡的；而在赤道则不会形成漩涡。谢皮罗的论文引起了世界各国科学家/！/的莫大兴趣，他们纷纷进行观察或实验，其结果无不与谢的论断相符。
应该说，谢皮罗教授所发现并提出的这一问题是人们经常遇到的，但绝大多数人却熟视无睹。由此而言，问题并不是任何人都能提得出来的，只有那些有心人，善于思索的人才能提得出来。问题提出来之后，合乎逻辑的过程就是知识分析与解决问题，这就用得着有关背景知识甚至有关深层的专业知识。谢皮罗教授之所以能够透过现象探索其中深层的本质原因，追索到其中的因果联系，又是由于他具有地球科学的知识和有关逻辑知识。
二为使对问题的研究更合乎逻辑，还要谈及问题的分类及其解释。问题的类型不同，其解释程序也就有所不同。在此，笔者同意美国R·蒙克的观点。
美国R·蒙克从科学研究的角度出发，将问题分成三类，并赋予了各自的一些特征：
一是解释性的问题（explanationproblem），其特征为“已知某个现象（或结果等），寻求一个能够（合理地或正确地）解释它的假说或理论。”解决这类问题的关键在于要寻找和构建出相应的理论和假设来。上面谈及的谢皮罗教授所提出的那个问题就属此类。二是协调性的问题（reconciliationproblem），其特征为“已知一个明显的冲突（不一致等）存在于a与B之间，找出一个消除它的途径。”在这里a与B可分别代表理论或事实。R·蒙克认为如果冲突仅是表面的，我们便可通过调整a或B或同时调整二者来消除冲突；如果冲突是深刻的，这就需要否定一方而用别的东西取而代之。三是测定性的问（determinationproblem），其特征为“已知一个可测定项，找出一个对它的（合理的或正确的）测定。”一个具体的可测定项可定义为一种变量，对其加上某些限制条件以缩小其取值范围，而这个值却尚未被揭示。一般的可测定项就是上述尚无限制的变量，如速度、函数、结构等。测定项可以是简单的，也可以是复杂的具有等级结构的。
问题是科学知识的助产婆。不管是上述哪类问题的提出与解决，都在不同程度上丰富了科学知识宝库。科学知识总是沿着“提出问题—分析与解决问题—提出新问题—分析与解决新问题—”的循环轨迹丰富与增长的。科学应被看成是从问题到问题而进步的。随着这种进步，问题的深度也在不断增加。纵观人类历史，后一代人比前一代人提出的问题要多，分析与解决问题的能力、方式与手段等要长进得多。因为，解决问题的过程必然包括先前知识的运用、实验的设计与调整，以及各种试探性的假设的采用、评价、筛选、修正等环节。在此期间，逻辑推理可以用来发挥思维的功能，确定需要什么信息和如何得到这些信息或者接受信息的反馈，而思维的功能必将把这些推理或信息的逻辑处理联结成有计划的步骤去实现科学发现的目标。
三科学发现是一个曲折复杂的认识过程，不能指望轻而易举便可达到目标，必须有良好的信息反馈机制并充分地利用这一反馈，才能不断修正和调节自己的认识去实现科学发现的目标。从这个意义上讲，信息反馈是创造性思维的前提。信息反馈就是把输出的信息（大部分或一部分）再反送回来，以便与原来的目标值加以比照，及时发现偏差及时纠正，通过调节被控制量或操作量，使过程状态达到实现目标的最佳趋势。这就是创造性思维过程的一般机制
。科学家通过实验、观察所得到的材料和结论以及自己和他人在此问题上的看法可以看作是反馈回来的信息，充分利用这些信息是科学研究走向成功的必要条件。科学史上若干事例说明了这一点，下面主要以爱因斯坦创立相对论的思维过程为例加以说明。
爱因斯坦创立相对论的过程就是运用创造性思维建立科学理论的过程。1922年12月4日爱因斯坦在日本京都大学作过题为《我是怎样创立相对论的》的讲演，再明白不过地说明了这个问题。在他看来，在从事科学研究时，有两种信息反馈渠道：一是直接经验的反馈渠道，二是间接经验的反馈渠道。认识主体如果能充分利用这两种反馈信息，就能有效地推进创造性思维从而有所发现。
科学小实验漩涡的原理篇9
在所有的北极候鸟当中，最后一个到达北极却又最先离开的便是蹼鹬了。这种迟到早退的鸟类脚上有蹼，羽毛形成厚厚的几层。它们生性好动，尤其善舞，在湖泊池塘之中，经常可以看到蹼鹬翩翩起舞，犹如表演水上芭蕾。虽然蹼鹬是一种水鸟，但是它们喝起水来并没有我们想象的那么方便，它们不会简单地把头浸入水中，张开大嘴让水流进胃里，那样它们会窒息。人们观察后发现，有些鸟儿可以靠舌头来吸水：有的鸟儿啄一点水后，迅速抬起头来，让水流进胃里。但是，蹼鹬喝水时，会张开剪刀一样的嘴巴，不断地张开合拢，水就自动进入了它们的嘴巴，同时进入嘴巴的还有水中的小型动物。
其实，早在20世纪90年代，鸟类学家玛格丽特，瑞贝加就注意到蹼鹬奇怪的进食方式。蹼鹬一般在浅水里觅食，它们首先用嘴巴在水里作圆周运动，不停地搅动水面，使得浅水里形成一个小漩涡，水中那些蜻蜒和蚊子等昆虫的幼虫、小型软体动物和甲壳动物就被卷入到这个漩涡中。然后，蹼鹬张着大嘴深入到漩涡中，带着小动物的水居然就沿着它的长嘴往上流动。根据蹼鹬的嘴部结构和嘴形来分析，它是无法主动将水吸入嘴内的。那么，这些水是如何进入它们的嘴里的?瑞贝加当时猜测，那些水可能是按照物理学中的毛细现象进入了蹼鹬的嘴中。所谓毛细现象是具有细微缝隙的物体或直径很小的细管与液体接触时，液体沿缝隙或毛细管上升或下降的现象。常见的纸张或毛巾吸水、地下水沿土壤细缝上升至地表等都是毛细现象。但是，瑞贝加当时无法详细解释和验证其中的科学原理。
过了15年，美国麻省理工学院的工程学家约翰，布什的研究小组打造了一个不锈钢的蹼鹬鸟嘴模型，试图解开蹼鹬喝水和觅食的科学原理。研究人员先在鸟嘴模型中涂上硅油，当鸟喙模型平放油滴可均匀散布，当鸟嘴朝向下时，油滴因无法抵抗重力的作用而漏出；加入水滴也是一样，鸟嘴垂直时水滴将会漏出。研究人员接着尝试让鸟嘴张开成不同的角度，以观察水滴的运动情况。结果发现，如果鸟嘴张开角度太宽，水滴将散开；张开角度太窄时，水也会泄漏。但在特定角度下，水滴将会沿着鸟嘴往上流动。让鸟嘴按照这个特定的角度不断地开合，水就不断流入口中，就像一个毛细水泵一样。
科学小实验漩涡的原理篇10
关键词：大跨度桥梁；抗风分析；风洞试验；CFD
中图分类号：K928文献标识码：a
1风对桥梁的作用
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构外形、结构动力性能以及风与结构的相互作用等因素制约。风对桥梁的作用包括静力作用和动力作用。
(1)静力作用
静力作用是指风速中由平均风速部分施加在结构上的静风压产生的阻力、升力和扭矩作用引起的结构内力和变形，破坏特点以强度破坏或过大的结构变形为主。在静力风荷载的作用下，可能会导致结构空气静力失稳。空气静力失稳主要包括扭矩引起的结构扭转发散和阻力引起的结构横向屈曲两种形式。静力失稳发生前无任何预兆，具有突发性强、破坏性大的特点。
(2)动力作用
动力作用是指结构在风作用下的空气弹性动力响应，一般分为两大类：一类是在风的作用下，由于结构振动对空气的反馈作用，振动的结构从空气中汲取能量，产成一种自激振动机制，如颤振、弛振和涡激振动。另一类是结构在紊流脉动风作用下的一种有限振幅的随机强迫振动，这种由阵风带的脉动风谱引起的随机振动响应称为抖振，其振动响应是一种限幅强迫振动，故该类振动具有两重性。风对桥梁的作用见表1。
表1风对桥梁的作用
分类现象作用机制
静力作用静(阵)风载引起的内力和变形平均风的静风压产生的升力、阻力和扭转力矩作用
静力不稳定扭转发散静(扭转)力矩作用
横向屈曲静阻力作用
动力作用抖振(紊流风响应)限幅振动紊流风作用
自激振动涡振漩涡脱落引起的涡激力作用
驰振单自由度发散振动自激力的气动负阻尼效应-阻尼振动
扭转颤振
古典耦合振动双自由度自激力的气动刚度驱动
2风致振动破坏形式
桥梁结构风振问题按振动形式分为五类：颤振、驰振、抖振、涡振和拉索风振。对于主梁主要是颤振，对拉索则是驰振；与安全可靠性相关的风振形式对于主梁主要是抖振，对桥塔则是涡振；与疲劳可靠性相关的风振形式，对于主梁仍然是抖振，对桥塔则为涡振；与主梁舒适可靠性相关的风振形式主要是抖振。
(1)颤振(Flutter)
桥梁颤振是一种危险性的自激发散振动，是由弹性力、惯性力、阻尼力和空气自激力共同引起的一种气动弹性不稳定现象，可能造成如旧塔科马桥那样的灾难性后果。当气动力激起的桥梁振动对周围气流流动特性影响较小时，气动力相当于强迫振动力；当桥梁振动大到足以改变周围的气流，而改变的气流又使作用于桥梁的气动力发生改变，形成了一个闭合的激励反馈系统。当系统中的阻尼由正变负时，系统振动就发散，这种空气动力失稳现象就是桥梁颤振。
颤振会引发结构发散性失稳破坏。尽管颤振是桥梁风致振动中最具危害性的现象，但只要精心分析与设计，辅以风洞模型实验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速，就能避免这类现象的发生。目前，桥梁的颤振问题已基本得到解决。
(2)驰振(Galloping)
驰振是振动的桥梁从气流中不断吸取能量，使非扁平截面细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性弯曲自激振动。驰振和颤振相似，都是发生在横风向不稳定的发散振动现象。根据来流的不同，驰振又分为横流驰振和尾流驰振。横流驰振是由升力曲线(或升力矩曲线)的负斜率所引起的发散性弯曲自激振动。而尾流驰振则由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的振动。与横流驰振相比，尾流驰振研究较少，一般采用Simpson尾流驰振分析法。
(3)抖振(Buffeting)
抖振是结构在脉动风作用下的随机强迫振动，可视为来流的脉动成分引起的抖振力和紊流绕过结构后产生的脉动力共同作用的结果，发生频率高，但幅度通常有限。抖振虽然不会像颤振那样引起灾难性的失稳破坏，但是过大的抖振响应在桥梁施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营阶段则会带来结构刚度问题影响行人和车辆的舒适性以及引起交变应力缩短构件的疲劳寿命。
(4)涡激振动(VortexResonance)
浸没在气流中的桥梁结构，截面尾流区的气流将出现周期替变化，产生周期性的空气力，引起结构振动，该气动力是由漩涡脱离引起的，这种现象称为涡激振动。涡激振动兼有自激振动和强迫振动的性质，它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动。尽管涡激振动不像颤振、驰振一样是发散的毁灭性振动，但由于其振幅之大足以影响行车安全，甚至可能造成结构刚度破坏、并严重影响结构使用性能，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围内具有十分重要的意义。
(5)拉索风振(Rain-windinducedvibration)
风雨振是在风雨共存的气候条件下发生的一种大幅低频振动，它是目前已知拉索振动形式中最强烈的一种斜拉桥病害。由于风雨振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象，其形成机理仍没有定论。
3桥梁抗风研究方法
桥梁抗风工程的研究方法主要有三种：风洞实验、理论分析与CFD数值模拟以及现场观测。
3.1风洞试验
通过精心设计的各种风洞试验，可以预测实桥的空气静力稳定性、动力稳定性以及是否有影响正常使用的风致振动现象发生等。另外，风洞试验还可以优选出提高桥梁气动性能的断面及方法。
国外大跨度桥梁抗风试验研究始于塔科马桥事故，并且逐步形成了以全部构件所有气动弹性性能模拟为目标的全桥气弹模型风洞实验、以桥梁主要构件(桥面)刚性节段气动外形和弹簧支撑刚度模拟为目标的节段模型风洞实验、用拉条模拟实际桥梁总体刚度和用节模拟桥面气动外形的拉条弹性模型风洞实验等3种方法。30多年来，国内同济大学、西南交通大学、中国空气动力研究中心等单位先后完成了近40座大跨度桥梁的全桥气弹模型风洞实验，其中包括世界最大跨度的钢拱桥―上海卢浦大桥、世界最大跨度的斜拉桥―苏通长江大桥和世界最大跨度的钢箱梁悬索桥―舟山西堠门大桥。
3.2理论分析
理论分析方法就是运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，然后应用结构动力学方法，求解各类风致振动和稳定问题。理论分析方法在建立桥梁抗风工程的基本理论上起着决定性的作用。在桥梁抗风工程学科发展史上，西奥多尔森(theodorsen)的理想平板颤振自激力理论解，斯坎伦(R.H.Scanlan)的桥梁断面颤振理论，达文波特(Davenport)的抖振准定常理论，都发挥了且仍发挥着重要的作用。桥梁抗风研究的进一步发展，将有待于基本理论框架的新突破。
3.3CFD数值模拟以及现场观测
CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析，模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况。它可以看作是在流体基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过CFD模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定压力、速度、漩涡分布特征等，还可据此计算出相关的其他物理量。目前，应用数值模拟方法，可较好地计算某些断面的三分力系数、颤振导数等。随着越来越多横跨江河甚至海峡的大跨度桥梁的出现，应用CFD方法研究桥梁气动性能并应用其指导设计和施工成为必然趋势。
另外，在实桥上观察和测量桥梁风致振动的特征和主要参数，也是一种很好的研究手段，尤其是在桥梁发生风致病害时进行观测，研究价值更大。比如旧塔科马桥风毁过程的实况摄影，对促成桥梁抗风工程学科的诞生有着重要作用。
4结语
现代桥梁结构向着跨度更大、更柔、更纤细的方向发展，这必然导致对风的敏感性增加，因此有必要对其抗风性能进行研究。由于风是一种随机不确定性的荷载，经过几十年的发展，人们对桥梁结构风致振动也有了较深的认识，其理论框架已经基本建立，但仍需要针对桥梁的颤振、抖振、涡振、风雨振等进行更加深入的分析研究，以建立精确、适用的分析理论及相应的求解方法。
参考文献
[1]项海帆等．现代桥梁抗风理论与实践[m]．北京：人民交通出版社，2005.
[2]吕卫军．高墩大跨连续刚构桥风荷载研究[D]．西安：长安大学，2006.5
[3]LinY.K.,YangJ.n.multimodebridgeresponsetowindexcitations.J.engineeringmechanics,aSCe,Vol.109(2),586-603