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，供戲耍或觀賞時增加動感。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。縫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。
