本發(fā)明屬于化工原理實驗儀器，具體涉及一種流體速度分布實驗儀及其使用方法。

背景技術(shù)：

流體在圓管中流動時，在圓管橫切面上，流體速度分布是不均勻的，管路軸線上流體流速最大，越靠近管壁流體流速越小，和管壁接觸的流體的流速為零。目前沒有實驗儀器用來反映流體在圓管中流動的速度分布狀態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生在理解流體的速度分布以及邊界層和層流內(nèi)層的概念比較困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種流體速度分布實驗儀及其使用方法，能夠模擬流體在圓管中流動的速度分布狀態(tài)，利于直觀觀察。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實驗儀采用如下技術(shù)方案：

包括用于裝流體的高位槽，高位槽的底部連通透明的圓管，圓管上設(shè)置第一閥門；圓管的入口處設(shè)置有若干個針頭，針頭均連接墨水瓶，針頭均帶有第二閥門。

進(jìn)一步地，針頭為五個。

進(jìn)一步地，針頭分別設(shè)置在圓管的中心、四分之三半徑，二分之一半徑、四分之一半徑和管壁處。

進(jìn)一步地，第二閥門為脈沖閥門。

進(jìn)一步地，圓管上還安裝有流量計。

進(jìn)一步地，高位槽的底部通過第一管路和第二管路連接循環(huán)水槽，形成循環(huán)回路；第一管路上安裝壓力泵。

進(jìn)一步地，高位槽的底部開設(shè)有一個入水口和兩個出水口，入水口與第一管路相連，出水口對稱開設(shè)在入水口兩側(cè)；其中一個出水口連接圓管，另一個出水口連接第二管路；入水口和兩個出水口之間均設(shè)置有溢流擋板。

進(jìn)一步地，溢流擋板底面和高位槽接觸的位置中間設(shè)置透水孔。

進(jìn)一步地，墨水瓶安裝在墨水瓶支架上，墨水瓶支架設(shè)置在高位槽上方；圓管上設(shè)置有長度刻度，圓管管徑在50mm以上。

本發(fā)明方法采用如下技術(shù)方案：包括以下步驟：

(1)在高位槽中加入流體Ⅰ，開啟第一閥門，流體Ⅰ的初始流速不超過150L/h；

(2)開啟所有針頭上的第二閥門，使墨水瓶中的流體Ⅱ流入流體I中，進(jìn)行層流演示；其中流體Ⅱ和流體I的顏色不同；

(3)逐漸增大流體Ⅰ的流速，流體Ⅰ的層流從圓管中心向管壁逐漸變?yōu)橥牧?，完成湍流演示?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過設(shè)置高位槽裝流體，通過透明的圓管放出，同時在圓管入口處設(shè)置針頭，通過針頭向圓管中流動的流體中通入有色流體，比如墨水，通過調(diào)節(jié)第一閥門控制流體流速，通過第二閥門控制不同針頭流出有色流體，以進(jìn)行流體層流和湍流演示，能夠模擬流體在圓管中流動的速度分布狀態(tài)，利于直觀觀察；在教學(xué)演示中，能很好的幫助學(xué)生理解流體在管路中的速度分布狀態(tài)和邊界層和層流內(nèi)層的概念。

進(jìn)一步地，本發(fā)明中針頭設(shè)置在圓管不同位置，利于模擬管內(nèi)不同位置的速度分布狀態(tài)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過形成循環(huán)回路，節(jié)約用水。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過設(shè)置溢流擋板，將高位槽分成三個水箱，確保高位槽中的水向圓管流動時，其液面不劇烈晃動，避免影響演示效果。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過設(shè)置透水孔，利于在演示結(jié)束后排空高位槽中剩余的水。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過設(shè)置位于高位槽上方的墨水瓶支架，能夠利用重力作用放出有色流體，節(jié)約能源。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過在圓管上設(shè)置長度刻度，利于計算流體速度。

本發(fā)明使用方法簡單，能夠有效對流體流動的速度分布狀態(tài)進(jìn)行演示，利于學(xué)生理解邊界層、層流內(nèi)層、層流和湍流等概念。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中針頭分布位置截面圖。

其中：1-墨水瓶；2-墨水瓶支架；3-溢流擋板；4-高位槽；5-透水孔；6-針頭；7-流量計；8-第一閥門；9-壓力泵；10-循環(huán)水槽。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1，本發(fā)明包括用于裝流體Ⅰ的高位槽4，高位槽4的底部連通透明的圓管，圓管上設(shè)置流量計7和第一閥門8；圓管的入口處設(shè)置有若干個針頭6，針頭6均帶有第二閥門，第二閥門為脈沖閥門。針頭6均連接墨水瓶1，墨水瓶1安裝在墨水瓶支架2上，墨水瓶支架2設(shè)置在高位槽4上方。墨水瓶中裝有流體Ⅱ，流體Ⅱ和流體I的顏色不同且能夠互溶；流體I一般采用無色液體如水，流體Ⅱ可以采用有色染料如紅墨水。

高位槽4的底部開設(shè)有一個入水口和兩個出水口，入水口與第一管路的出口相連，第一管路的入口和循環(huán)水槽10底部的出口相連，第一管路上安裝壓力泵9；高位槽4的出水口對稱開設(shè)在入水口兩側(cè)，其中一個出水口連接圓管的入口，另一個出水口連接第二管路的入口，第二管路的出口位于循環(huán)水槽10中，高位槽4的底部通過第一管路和第二管路連接循環(huán)水槽10，形成循環(huán)回路；入水口和兩個出水口之間設(shè)置有溢流擋板3，溢流擋板3的主要作用有兩個：一是溢流擋板3的高度決定了高位槽4中水位的高度，二是確保高位槽4中左側(cè)水箱即針頭6上面的水液面不劇烈晃動。實驗時壓力泵9不關(guān)閉，保持高位槽4水面高度恒定。溢流檔板3底面和高位槽4接觸的位置中間設(shè)置透水孔5，透水孔5的作用是實驗結(jié)束以后便于排空高位槽4中剩余的水。

參見圖2，針頭6為五個，且分別設(shè)置在圓管的中心、四分之三半徑，二分之一半徑、四分之一半徑和管壁處。且盡量分散開，如四分之三半徑，二分之一半徑、四分之一半徑和管壁處的針頭6分別位于圓管中心處針頭6的四個方向，能夠更好地演示不同部位的速度分布狀態(tài)，避免干涉。透明的圓管管徑要在50mm以上，而且圓管外壁須有長度刻度。

每個紅墨水針頭6由脈沖閥門獨立控制，可以單獨開啟，也可以組合同時開啟，配合秒表，觀察每個針頭6位置的流體流動狀態(tài)。

根據(jù)針頭6到管壁的距離值從小到大，各針頭6上的脈沖閥門依次為A閥門、B閥門、C閥門、D閥門和E閥門。

本發(fā)明可以實現(xiàn)以下功能：

1、觀察紅墨水在各個閥門(到管壁的距離值由小到大的針頭6上紅墨水脈沖閥門依次為A閥門，B閥門，C閥門，D閥門，E閥門)流出后在透明圓管中的流動狀態(tài)。

2、計算各個閥門流出紅墨水的流動速度，相當(dāng)于獲得在圓管中心、四分之三半徑、二分之一半徑、四分之一半徑以及靠近管壁處層流時的水流速度。

本發(fā)明可以進(jìn)行層流狀態(tài)和湍流狀態(tài)的演示，工作步驟具體如下。

1、關(guān)閉第一閥門8。

2、啟動壓力泵9，待高位槽4中水面溢過溢流擋板3后開啟第一閥門8，流量不要超過150L/h，開啟閥門A，B，C，D，E。觀察各個針頭6流出的紅墨水的流動狀態(tài)。此時流體在管內(nèi)低速流動，呈現(xiàn)為層流，各針頭6流出的紅墨水沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。流體的流速在圓管中心處最大，其近壁處最小。

3、逐漸增加第一閥門8的開度，增大流量，待閥門E對應(yīng)的針頭6流出的紅墨水出現(xiàn)很小的波浪狀態(tài)，即不再是平滑直線時記錄流量計7的流速。觀察各個針頭6流出紅墨水的流動狀態(tài)，此時除了閥門E之外，其它針頭6流出的紅墨水仍是平滑直線運動。表明流量增大時層流因受擾動開始向不規(guī)則的湍流過渡。

4、關(guān)閉閥門A，B，C，D，E，以使圓管中的紅墨水清空，便于觀察下一階段試驗現(xiàn)象。

5打開閥門E同時開始計時，待紅墨水流過的距離為1000mm(透明管上有刻度)時，掐表，記錄時間。同時關(guān)閉閥門E。紅墨水閥門A，B，C，D依次重復(fù)閥門E的步驟。記錄流量計7所顯示的流量，可以分別計算出在該流量下的水流速度。

6、開啟閥門A，B，C，D，繼續(xù)增加第一閥門8開度，增大流量，直到閥門D流出的紅墨水由直線流動狀態(tài)變?yōu)楹苄〔ɡ司€狀態(tài)為止。觀測各個針頭6流出紅墨水的流動狀態(tài)。

7、關(guān)閉閥門A，B，C，D。

8、打開閥門D同時開始計時，待紅墨水流過的距離為1000mm(透明圓管上有刻度)時，掐表，記錄時間。同時關(guān)閉閥門D。紅墨水閥門A，B，C依次重復(fù)閥門D的步驟。(此實驗過程閥門E一直關(guān)閉)。同時記錄流量計7顯示的流量。

9、開啟閥門A，B，C，繼續(xù)增加第一閥門8開度，增大流量，直到閥門C流出的紅墨水由直線流動狀態(tài)變?yōu)楹苄〔ɡ司€狀態(tài)為止。觀測各個紅墨水的流動狀態(tài)。

10、關(guān)閉閥門A，B，C。

11、打開閥門C同時開始計時，待紅墨水流過的距離為1000mm(透明管上有刻度)時，掐表，記錄時間。同時關(guān)閉閥門C。紅墨水閥門A，B依次重復(fù)閥門C的步驟。(此實驗過程閥門D、E一直關(guān)閉)。同時記錄流量計7顯示的流量。

12、開啟閥門A，B，繼續(xù)增加第一閥門8開度，增大流量，直到閥門B流出的紅墨水由直線流動狀態(tài)變?yōu)楹苄〔ɡ司€狀態(tài)為止。觀測各個紅墨水的流動狀態(tài)。

13關(guān)閉閥門A，B。

14、打開閥門B同時開始計時，待紅墨水流過的距離為1000mm(透明管上有刻度)時，掐表，記錄時間。同時關(guān)閉閥門B。紅墨水閥門A重復(fù)閥門B的步驟。(此實驗過程閥門D、E、C一直關(guān)閉)。同時記錄流量計7顯示的流量。

15、保持步驟14的流量不變，打開所有紅墨水閥門，觀察紅墨水的流動狀態(tài)，呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，紅墨水流動紊亂。