一種雙孔板穩(wěn)壓型有色水電控供給式雷諾實(shí)驗(yàn)儀及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體力學(xué)水力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。尤其涉及一種雙孔板穩(wěn)壓型有色水電控供給式雷諾實(shí)驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]雷諾實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)水力學(xué)中傳統(tǒng)的經(jīng)典的必做實(shí)驗(yàn)之一。
[0003]雷諾實(shí)驗(yàn)要求觀察管流層流與湍流流態(tài)，測(cè)量下臨界雷諾數(shù)。
[0004]流態(tài)的觀察是在管道中加儲(chǔ)有色水作為示蹤液來(lái)顯示的。所加有色水的量，與人門在打鹽水掛針時(shí)的滴儲(chǔ)量相當(dāng)。當(dāng)層流情況下，管道中的流體質(zhì)點(diǎn)互不混摻，有條不紊地作有序的成層流動(dòng)。因此，從管道口儲(chǔ)入的有色水在管道中會(huì)形成一條直線狀向前流動(dòng)；當(dāng)湍流情況下，管中流體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，作無(wú)序的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。因此，儲(chǔ)入的有色水水股完全破碎，象煙霧般很快擴(kuò)散至全管。這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果完全取決于有色水的供給器及其閥門的調(diào)控功能。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上，有色水是通過(guò)高位水盒和軟管及閥門自流直接供水，由于其有色水的供水量微小，所需供水軟管是一根直徑約1-2毫米的細(xì)管，有色水注射針直徑近0.7毫米左右，用于開(kāi)、關(guān)有色水的閥門，傳統(tǒng)上常用鹽水掛針用的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，這種閥門是將軟管擠壓關(guān)閉，松開(kāi)開(kāi)啟。其存在的問(wèn)題，1、長(zhǎng)期關(guān)閉后，軟管失去彈性，經(jīng)常會(huì)開(kāi)啟失效；
2、連接軟管及其有色水注射針管很容易被氣泡或小顆粒堵塞，尤其是實(shí)驗(yàn)后滯留在管中有色水不能排除，干燥后針管往往報(bào)廢，給實(shí)驗(yàn)儀的維護(hù)造成困難；3、在本實(shí)驗(yàn)中，層流時(shí)的有色水用量要求較小，容易滿足，但是在湍流情況下，因管流的水流流速較大，要求有色水濃度增強(qiáng)，才能顯示并讓學(xué)生看到煙霧狀的擴(kuò)散紊動(dòng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)方法，當(dāng)有色水盒的高程固定后，實(shí)驗(yàn)中要提高有色水的供應(yīng)量，增強(qiáng)有色水的濃度無(wú)法實(shí)現(xiàn)，濃淡難調(diào)。4、舊式雷諾實(shí)驗(yàn)儀供水箱上固定儲(chǔ)水盒僅夠1~2次實(shí)驗(yàn)，且化學(xué)藥劑配出的能消失有色水不易長(zhǎng)期保存，幾天就需要定期更換，但固定儲(chǔ)水盒中有色水不易排空，且長(zhǎng)時(shí)間存放容易產(chǎn)生沉淀，污染儲(chǔ)水盒或管路，清洗不方便，也不容易更換有色水藥液。
[0005]實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)是需要觀察管中有色水的圖譜是湍流還是層流才能測(cè)定的。當(dāng)觀察到水流從湍流剛轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)，所測(cè)定的雷諾數(shù)即為下臨界雷諾數(shù)。其實(shí)驗(yàn)精度既與有色水的顯示效果有關(guān)，又與恒壓水箱的穩(wěn)定性能有關(guān)。雷諾實(shí)驗(yàn)對(duì)穩(wěn)壓供水箱的穩(wěn)定性能要求很高，希望湍流到層流的穩(wěn)定時(shí)間越短越好。這里需先對(duì)“穩(wěn)定時(shí)間”作一說(shuō)明。本文所說(shuō)的穩(wěn)定時(shí)間都將以下例方法確定:在供水箱正常溢流的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，閥門開(kāi)至雷諾數(shù)為2200左右的流量開(kāi)度，然后保持閥門開(kāi)度不變，關(guān)閉水泵，待排空穩(wěn)壓水箱內(nèi)水體后，再開(kāi)啟水泵，當(dāng)穩(wěn)壓箱水箱再次溢流時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)管道內(nèi)的流體受穩(wěn)水箱的紊動(dòng)影響，質(zhì)點(diǎn)雜亂無(wú)章，有色水象煙霧狀擴(kuò)散，并很快消失，形成因水箱水體不穩(wěn)定而產(chǎn)生的管內(nèi)水體湍流流態(tài)，因?yàn)檫@時(shí)管流雷諾數(shù)處于下臨界2320以下，只要水箱的穩(wěn)定性能好，管內(nèi)的湍流經(jīng)一定時(shí)間穩(wěn)定后，能自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，在層流狀態(tài)時(shí)，管中有色水會(huì)形成一條直線狀的流動(dòng)形態(tài)。用秒表計(jì)下這段時(shí)間，即為本文所說(shuō)的穩(wěn)定時(shí)間。這一穩(wěn)定時(shí)間與所設(shè)定的雷諾數(shù)有關(guān)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀所能達(dá)到的實(shí)測(cè)臨界值一般只有2000到2100左右，如果設(shè)定在2200左右，那么穩(wěn)定時(shí)間再長(zhǎng)，也不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎@就是穩(wěn)水箱穩(wěn)定性能差的結(jié)果，所以在雷諾實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)水箱的穩(wěn)壓性要求非常高。
[0006]傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器穩(wěn)定性能最好的是單孔板穩(wěn)壓箱。這種穩(wěn)壓箱其雷諾數(shù)2200時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間約需要十分鐘左右。有時(shí)最大的臨界雷諾數(shù)只能實(shí)測(cè)到2100左右，與老祖宗雷諾測(cè)得的2320臨界雷諾數(shù)有較大差距，雖然雷諾在測(cè)該臨界值條件是在地下室先靜止三天，讓水箱內(nèi)水體非常穩(wěn)定下才進(jìn)行的，但教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，師生都希望能在有限的教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間里，用最快的穩(wěn)定時(shí)間測(cè)到最接近2300的臨界雷諾數(shù)。所以解決雷諾實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓供水箱的穩(wěn)定性能，是雷諾實(shí)驗(yàn)技術(shù)難點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定時(shí)間短，穩(wěn)定性高，有色水顯示效果好，操作方便的高效雷諾實(shí)驗(yàn)儀，尤其是一種雙孔板穩(wěn)壓型有色水電控供給式雷諾實(shí)驗(yàn)儀及其方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種雙孔板穩(wěn)壓型有色水電控供給式雷諾實(shí)驗(yàn)儀具有:有色水電控供給器、雙孔板式穩(wěn)壓供水箱、透明實(shí)驗(yàn)管、自循環(huán)供水器、流量調(diào)節(jié)閥、回水管及控制電路，雙孔板式穩(wěn)壓供水箱的下部側(cè)壁設(shè)有出口與透明實(shí)驗(yàn)管相連，透明實(shí)驗(yàn)管上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，透明實(shí)驗(yàn)管出口正對(duì)漏斗，漏斗通過(guò)回水管與自循環(huán)供水器相連，自循環(huán)供水器與雙孔板式穩(wěn)壓供水箱通過(guò)一根進(jìn)水管和一根溢流出水管相連，有色水電控供給器的有色水注射針的針孔固定于透明實(shí)驗(yàn)管與雙孔板式穩(wěn)壓供水箱相通的入水口的中軸線上。
[0009]所述的有色水電控供給器具有有色水儲(chǔ)水盒、氣管、電控三通氣閥、氣泵、氣嘴、有色水加注口與密封蓋、虹吸管、有色水出水管、第一電控二通氣閥、有色水注射針、第二電控二通氣閥、第三電控二通氣閥、電動(dòng)蓄水供水瓶和有色水吸水管；
有色水儲(chǔ)水盒的頂部設(shè)置有氣嘴和有色水加注口與密封蓋，氣嘴通過(guò)氣管與電控三通氣閥相連，電控三通氣閥通過(guò)氣管與氣泵相連，虹吸管插入有色水儲(chǔ)水盒中，虹吸管露出有色水儲(chǔ)水盒的部分設(shè)有氣嘴和水嘴，氣嘴位于水嘴上方或下方，虹吸管的氣嘴與電控二通氣閥相連，虹吸管的水嘴通過(guò)有色水出水管與有色水注射針相連，有色水儲(chǔ)水盒底部設(shè)有與有色水吸水管相連的水嘴，有色水吸水管伸入電動(dòng)蓄水供水瓶中，氣泵通過(guò)第二電控二通氣閥與電動(dòng)蓄水供水瓶相連通。第三電控二通氣閥的一端通過(guò)氣管與電動(dòng)蓄水供水瓶相連通。其中有色水加注口與密封蓋也可不設(shè)。
[0010]所述的雙孔板式穩(wěn)壓供水箱在供水管與出水管之間設(shè)有溢流板，在供水管與透明實(shí)驗(yàn)管的入水口之間順次設(shè)有穩(wěn)壓雙孔板、隔震板、穩(wěn)壓雙孔板。
[0011]所述的控制電路包括第一控制開(kāi)關(guān)，第二控制開(kāi)關(guān)，自復(fù)位開(kāi)關(guān)組成。第一控制開(kāi)關(guān)一端與電源正極相連，另一端分別與電控三通氣閥、氣泵的正極相連，電控三通氣閥、氣泵負(fù)極與電源負(fù)極相連，第二控制開(kāi)關(guān)一端與電源正極相連，另一端與第一電控二通氣閥的正極相連，第一電控二通氣閥負(fù)極與電源負(fù)極相連，自復(fù)位開(kāi)關(guān)一端與電源正極相連，另一端分別與氣泵、第二電控二通氣閥、第三電控二通氣閥正極相連，所有電器負(fù)極與電源負(fù)極相連。自復(fù)位開(kāi)關(guān)也可以采用兩個(gè)或多個(gè)按通或按斷開(kāi)關(guān)。
[0012]所述雙孔板穩(wěn)壓型有色水電控供給式雷諾實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)操作方法是:
O打開(kāi)總電源，按下自復(fù)位開(kāi)關(guān)，第二電控二通氣閥導(dǎo)通、第三電控二通氣閥關(guān)閉，直到加足所需的有色水用水量，松開(kāi)自復(fù)位開(kāi)關(guān)；
然后打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)，全開(kāi)自循環(huán)供水器，待雙孔板式穩(wěn)壓供水箱溢流，實(shí)驗(yàn)水頭穩(wěn)定；
2)開(kāi)啟有色水虹吸注射
當(dāng)按下第一控制開(kāi)關(guān)時(shí)，氣泵與電控三通氣閥同時(shí)通電，有色水儲(chǔ)水盒與大氣的通路被電控三通氣閥切斷，氣泵向盒內(nèi)供氣，盒內(nèi)氣壓提高，虹吸管內(nèi)的有色水液位隨之提高，管上部的空氣經(jīng)由有色水出水管、有色水注射針排出，直至有色水充滿虹吸管管頂和有色水出水管，形成虹吸流，待3-5秒，有色水從有色水注射針出流后再松開(kāi)第一控制開(kāi)關(guān)，觀察管中的有色水流態(tài)；
3)有色水濃淡調(diào)節(jié)及雷諾數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)操作
有色水濃淡即供水流量大小由電控實(shí)現(xiàn)，在有色水正常流動(dòng)的虹吸注射狀態(tài)下，按下第一控制開(kāi)關(guān)，氣泵與管嘴相通，盒內(nèi)加氣，同時(shí)儲(chǔ)水盒被封閉，氣壓提高，有色水流量增大，使實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)有色水濃度增高，如需要可多次按下第一控制開(kāi)關(guān)，使有色水濃度增加，顯示效果更清晰。
[0013]雷諾數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，多次緩慢關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥觀察有色水流態(tài)，待接近層流現(xiàn)象時(shí)，每調(diào)節(jié)一次閥門，都需穩(wěn)定1-2分鐘，一旦有色水形成一條穩(wěn)定的直線狀時(shí)，測(cè)其雷諾數(shù)，便得到下臨界雷諾數(shù)；
4)關(guān)閉有色水虹吸注射
需要關(guān)閉有色水注射或?qū)嶒?yàn)結(jié)束時(shí)，按下第二控制開(kāi)關(guān)，第一電控二通氣閥開(kāi)啟，在有色水正常虹吸注射狀態(tài)下，有色水儲(chǔ)水盒頂部的氣嘴經(jīng)第一電控二通氣閥與大氣相通，儲(chǔ)水盒內(nèi)空氣處于敞口無(wú)壓狀態(tài)，盒內(nèi)水位以上部分的虹吸管內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓，當(dāng)與虹吸管頂相連通的常閉第一電控二通氣閥通電時(shí)，第一電控二通氣閥開(kāi)通，在大氣壓作用下，氣流經(jīng)第一電控二通氣閥流入虹吸管頂部，真空被破壞，虹吸管斷流，即有色水供應(yīng)關(guān)閉。
[0014]5)儲(chǔ)水盒的加水與排水方法
加水方法:電動(dòng)蓄水供水瓶，是一密閉容器，按下自復(fù)位開(kāi)關(guān)左側(cè)，此時(shí)，氣泵啟動(dòng)，第二電控二通氣閥開(kāi)啟，而第三電控二通氣閥、電控三通氣閥均處于常閉狀態(tài)，氣流進(jìn)入電動(dòng)蓄水供水瓶，瓶?jī)?nèi)氣壓提高，在高氣壓作用下水流經(jīng)有色水吸水管輸送到有色水儲(chǔ)水盒中；
排水方法:當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束或儲(chǔ)水盒中有色水需要排除時(shí)，按下自復(fù)位開(kāi)關(guān)右側(cè)，第三電控二通氣閥被開(kāi)通，電動(dòng)蓄水供水瓶中氣體與大氣相通，氣壓被消除，高位有色水儲(chǔ)水盒中水體便自動(dòng)流回到低位的電動(dòng)蓄水供水瓶中，完成有色水回收及排空儲(chǔ)水盒的過(guò)程。
[0015]6)有色水出水管與有色水注射針的疏通方法