專利名稱：雷諾實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雷諾實(shí)驗(yàn)儀。
技術(shù)背景雷諾實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)(水力學(xué))教學(xué)中必須的實(shí)驗(yàn)之一。最早由英國力學(xué)家、物理 學(xué)家和工程師雷諾所研制，1885年，雷諾(Reynolds)曾用實(shí)驗(yàn)揭示了實(shí)際液體運(yùn)動中層流 和紊流的不同本質(zhì)，已有100多年的歷史。目前，國內(nèi)外的雷諾實(shí)驗(yàn)儀器較多，有平放的， 也有立放的。例如中國湘潭金凱化工裝備技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JK-LN雷諾實(shí)驗(yàn)儀，儀器長 1. 2m,高0. 45m ；LNS-B雷諾實(shí)驗(yàn)裝置，長僅僅0. 6m,內(nèi)徑2. 35cm，屬于較短的一種儀器；中 國浙江大學(xué)研制的H-I型雷諾實(shí)驗(yàn)儀，試驗(yàn)桌長1. 5m，水箱高0. 55m ；上述儀器均為水平放 置。中國浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)LN100Y型雷諾演示實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置為立 放。以上儀器的一個(gè)共同點(diǎn)是在判斷層流和紊流時(shí)，均通過管道中的顏色水目估什么 時(shí)候是層流，什么時(shí)候是紊流。如果顏色水是一條著色的直線，即為層流，如果顏色水顫動 即為層流到紊流的過渡區(qū)，如果顏色水完全混摻在水里即為紊流。通過目估測量出下臨界 雷諾數(shù)(Re=2320)，即為層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)的雷諾數(shù)。以上實(shí)驗(yàn)在操作上是不嚴(yán)格的，這是因?yàn)槔字Z實(shí)驗(yàn)是經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雷 諾通過實(shí)驗(yàn)已給出了下臨界雷諾數(shù)(Re=2320)。而在雷諾數(shù)小于2320時(shí)顏色水一直 都是直線，這樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)就不知道哪一條著色直線是下臨界雷諾數(shù)所需的著色直線， 學(xué)生只能根據(jù)已知的雷諾數(shù)和著色直線不斷的調(diào)試流量而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。但實(shí)驗(yàn) 表明，不同的儀器雷諾數(shù)稍有不同，對于非常光滑、均勻一致的直圓管，下臨界雷諾數(shù) Re =2320,但對于一般程度的粗糙壁管，Rew值稍小，約為2000。因此，這種目估的實(shí)驗(yàn)
方法存在著嚴(yán)重的缺陷。而雷諾實(shí)驗(yàn)本身是需要測量出兩個(gè)參數(shù)，即流速(或雷諾數(shù))和沿 程水頭損失，通過點(diǎn)繪流速(或雷諾數(shù))與沿程水頭損失的關(guān)系，求出下臨界流速或下臨界 雷諾數(shù)，這樣作避免了目估的局限性，保證了下臨界雷諾數(shù)的唯一性。雷諾實(shí)驗(yàn)儀的研究也經(jīng)過了一個(gè)漫長的變化過程。過去(上世紀(jì)70年代以前)的 雷諾實(shí)驗(yàn)儀長度較長，一般約有數(shù)米長，例如一種原來用的雷諾實(shí)驗(yàn)儀管道長度為6m，近幾 十年來，雷諾實(shí)驗(yàn)儀向小型化發(fā)展，管道長度驟然減短，目前市場上用得較多的是中國浙江 大學(xué)研制的雷諾實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)桌僅有1. 5m長，除去水箱長度，實(shí)驗(yàn)管段就更短了。管段從過 去的數(shù)米長驟然減短到小于1米，客觀地講，實(shí)驗(yàn)精度要受到一定的影響。這也是許多雷諾 實(shí)驗(yàn)不測量沿程水頭損失的的原因，因?yàn)楣艿蓝塘藟翰钶^小，測量精度不高。多年來，通過對雷諾實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行研制，通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，過去的雷諾實(shí)驗(yàn)儀管段 長度太長，而目前用的實(shí)驗(yàn)儀管段長度又過短，而且用目估的方法測量下臨界雷諾數(shù)不嚴(yán) 謹(jǐn)，精度不夠。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種雷諾實(shí)驗(yàn)儀，通過顏色水的演示定性的判斷層流和 紊流現(xiàn)象，進(jìn)而通過測量沿程水頭損失和流量來計(jì)算雷諾數(shù)，通過點(diǎn)繪雷諾數(shù)與沿程水頭 損失的關(guān)系求出下臨界雷諾數(shù)。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種雷諾實(shí)驗(yàn)儀，包括在實(shí)驗(yàn)臺下方設(shè)置有供 水箱，在實(shí)驗(yàn)臺的上方設(shè)置有穩(wěn)水箱，在穩(wěn)水箱的上方設(shè)置有盛顏色水的小水箱，所述供水 箱中裝有水泵，水泵與上水管道相連，在上水管道上裝有上水閥門；所述穩(wěn)水箱中設(shè)置有分 水三通，上水閥門通過管道與分水三通連接，穩(wěn)水箱中設(shè)置垂直相交的側(cè)隔板I和側(cè)隔板 II，在側(cè)隔板I上開有穩(wěn)水孔，側(cè)隔板II一側(cè)為進(jìn)水，另一側(cè)與溢流道連接，在穩(wěn)水箱的下 段側(cè)壁安裝有喇叭形進(jìn)口，喇叭形進(jìn)口與等直徑的實(shí)驗(yàn)管道相連接，實(shí)驗(yàn)管道通過支撐設(shè) 置在實(shí)驗(yàn)臺上表面，在實(shí)驗(yàn)管道上間隔安裝有兩個(gè)測壓嘴，該兩個(gè)測壓嘴分別與測量壓差 的斜置的比壓計(jì)相連接，實(shí)驗(yàn)管道末端設(shè)有調(diào)節(jié)流量的尾水閥門；所述小水箱通過軟管與 顏色水管道連通，軟管上設(shè)一止水夾，顏色水管道通過針頭伸入喇叭形進(jìn)口中。本實(shí)用新型的雷諾實(shí)驗(yàn)儀，其特征還在于，所述供水箱通過回水管與接水盒相連 接，接水盒與上方的尾水閥門的出水口相對應(yīng)。本實(shí)用新型的有益效果是，將雷諾數(shù)和沿程水頭損失的測量融為一起，供水箱、穩(wěn) 水箱、實(shí)驗(yàn)管道等結(jié)構(gòu)布置合理，整體體積較小、管道長度適中，有效地解決了下臨界雷諾 數(shù)的測量問題，功能多、精度高，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，制造容易。

圖1是本實(shí)用新型雷諾實(shí)驗(yàn)儀的主視圖；圖2是本實(shí)用新型雷諾實(shí)驗(yàn)儀的側(cè)視圖；圖3是本實(shí)用新型雷諾實(shí)驗(yàn)儀的俯視圖；圖4是沿程水頭損失與流速的關(guān)系圖；圖5是沿程水頭損失的計(jì)算原理圖。圖中，1.供水箱，2.水泵，3.上水管道，4.上水閥門，5.分水三通，6.穩(wěn)水箱，7.側(cè) 隔板I，8.側(cè)隔板II，9.穩(wěn)水孔，10.溢流道，11.溢流管，12.喇叭形進(jìn)口，13.小水箱， 14.軟管，15.顏色水管道，16.止水夾，17.針頭，18.實(shí)驗(yàn)管道，19.測壓嘴，20.比壓計(jì)， 21.尾水閥門，22.接水盒，23.支撐，24.回水管，25.實(shí)驗(yàn)臺。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。參照圖1、圖2、圖3，本實(shí)用新型的雷諾實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)是，包括設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺25下 方的供水箱1和接水盒22，接水盒22通過回水管24與供水箱1相連接，供水箱1中裝有水 泵2，水泵2與上水管道3相連，在上水管道3上裝有上水閥門4 ；在實(shí)驗(yàn)臺25的上方設(shè)置 有穩(wěn)水箱6，穩(wěn)水箱6中設(shè)置有分水三通5，上水閥門4通過管道與分水三通5連接，穩(wěn)水箱 6中設(shè)置垂直相交的側(cè)隔板I 7和側(cè)隔板II 8，分水三通5位于側(cè)隔板I 7和側(cè)隔板II 8隔 成的小空間內(nèi)，在側(cè)隔板I 7上開有穩(wěn)水孔9，穩(wěn)水孔9用于將供水箱1的來水輸入穩(wěn)水箱 6的大空間中，側(cè)隔板II 8 —側(cè)為進(jìn)水，另一側(cè)與溢流道10連接，側(cè)隔板II 8的頂端用于溢
4流，溢流道10下端設(shè)有溢流管11，溢流管11與供水箱1連接，在穩(wěn)水箱6的大空間下段側(cè) 壁安裝有喇叭形進(jìn)口 12，喇叭形進(jìn)口 12與等直徑的實(shí)驗(yàn)管道18相連接，實(shí)驗(yàn)管道18通過 支撐23設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺25上表面，在實(shí)驗(yàn)管道18上間隔安裝有兩個(gè)測壓嘴19，兩個(gè)測壓嘴 19通過軟管14與測量壓差的斜置的比壓計(jì)20相連接，實(shí)驗(yàn)管道18末端設(shè)有調(diào)節(jié)流量的尾 水閥門21，尾水閥門21與下方的接水盒22相對應(yīng)；在穩(wěn)水箱6的上方設(shè)置有盛顏色水的 小水箱13，所述小水箱13通過軟管14與顏色水管道15連通，軟管14上設(shè)一止水夾16，顏 色水管道15通過針頭17伸入喇叭形進(jìn)口 12中。實(shí)驗(yàn)管道18設(shè)置為相對較長的管道，長185cm。采用比壓計(jì)20可以直觀的顯示液面和精確的測量沿程水頭損失。本實(shí)用新型的雷諾實(shí)驗(yàn)儀的工作原理是實(shí)際流體中存在著兩種不同的流動型態(tài)，即層流和紊流。層流的特點(diǎn)是當(dāng)流速較 小時(shí)流體的質(zhì)點(diǎn)互不混摻成線狀運(yùn)動，沒有脈動現(xiàn)象。紊流的特點(diǎn)是液體中的質(zhì)點(diǎn)互相混 摻，其運(yùn)動軌跡曲折混亂，運(yùn)動要素發(fā)生脈動現(xiàn)象。介于之間的是層流向紊流的過渡流動狀 態(tài)，稱為層流向紊流的過渡。為了定性的區(qū)分層流和紊流兩種不同的流動形態(tài)，在穩(wěn)水箱6上部設(shè)置一盛有顏 色水的小水箱13，在小水箱13中裝入顏色水。試驗(yàn)時(shí)，打開顏色水管道15上的止水夾16， 使顏色水通過針頭17進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道18中，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)管道18上的尾水閥門21至最大，使尾 水閥門21從大到小逐漸關(guān)閉，可以看到一開始顏色水完全混摻在水流中，這就是紊流，當(dāng) 尾水閥門21開小到某一程度時(shí)，可以看到顏色水在管道中開始顫動，這便是紊流向?qū)恿鞯?過渡，再關(guān)小尾水閥門21，可以看到顏色水成一條著色的直線，這就是層流。如果將尾水閥 門21從小逐漸開大，可以看到顏色水的演變規(guī)律為，當(dāng)流量較小時(shí)為一條著色的直線，這 就是層流，當(dāng)尾水閥門21開大到某一值時(shí)，顏色水開始顫動，為層流向紊流的過渡，當(dāng)尾水 閥門21再開大到某一值時(shí)，顏色水完全混摻到水里，這就是紊流現(xiàn)象。如圖4所示，雷諾實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了層流與紊流的沿程水頭損失規(guī)律也不同。層流時(shí) 沿程水頭損失與流速的一次方成比例，紊流時(shí)沿程水頭損失與流速的《次方成比例，用公 式表不hf =kvn (1)式中~ .為沿程水頭損失；v為流速；《.為指數(shù)；i為比例系數(shù)。層流時(shí)《 = 1.0 ,紊 流時(shí)《 = 1.75~2.0。可見，要確定水頭損失必須先確定流動型態(tài)。如圖5所示，沿程水頭損失的計(jì)算原理是，在實(shí)驗(yàn)管道18的兩個(gè)斷面1-1和2-2 上各安裝一根測壓管，可測量出斷面1-1至斷面2-2間的水頭損失。由能量方程得^i + -+ ^l = ^2+ -+^ + 'V(2)
r 2gγ 2g式中，V1=V2,取 ％ = 2 ,則kf = (ζι+^j-)(3)
υ y由上式可以看出，1-1斷面和2-2斷面兩根測壓管的水頭差即為沿程水頭損失。為了測量沿程水頭損失，在所取的1-1和2-2斷面上各設(shè)置一個(gè)測壓嘴19，測壓嘴
519用軟管與比壓計(jì)20相連接，采用比壓計(jì)20的目的是提高測量沿程水頭損失的精度。流動型態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)是雷諾數(shù)，對于圓管流動，雷諾數(shù)用下式計(jì)算
權(quán)利要求一種雷諾實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，包括在實(shí)驗(yàn)臺(25)下方設(shè)置有供水箱(1)，在實(shí)驗(yàn)臺(25)的上方設(shè)置有穩(wěn)水箱(6)，在穩(wěn)水箱(6)的上方設(shè)置有盛顏色水的小水箱(13)，所述供水箱(1)中裝有水泵(2)，水泵(2)與上水管道(3)相連，在上水管道(3)上裝有上水閥門(4)；所述穩(wěn)水箱(6)中設(shè)置有分水三通(5)，上水閥門(4)通過管道與分水三通(5)連接，穩(wěn)水箱(6)中設(shè)置垂直相交的側(cè)隔板Ⅰ(7)和側(cè)隔板Ⅱ(8)，在側(cè)隔板Ⅰ(7)上開有穩(wěn)水孔(9)，側(cè)隔板Ⅱ(8)一側(cè)為進(jìn)水，另一側(cè)與溢流道(10)連接，在穩(wěn)水箱(6)的下段側(cè)壁安裝有喇叭形進(jìn)口(12)，喇叭形進(jìn)口(12)與等直徑的實(shí)驗(yàn)管道(18)相連接，實(shí)驗(yàn)管道(18)通過支撐(23)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺(25)上表面，在實(shí)驗(yàn)管道(18)上間隔安裝有兩個(gè)測壓嘴(19)，該兩個(gè)測壓嘴(19)分別與測量壓差的斜置的比壓計(jì)(20)相連接，實(shí)驗(yàn)管道(18)末端設(shè)有調(diào)節(jié)流量的尾水閥門(21)；所述小水箱(13)通過軟管(14)與顏色水管道(15)連通，軟管(14)上設(shè)一止水夾(16)，顏色水管道(15)通過針頭(17)伸入喇叭形進(jìn)口(12)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷諾實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述供水箱(1)通過回水管(24) 與接水盒(22 )相連接，接水盒(22 )與上方的尾水閥門(21)的出水口相對應(yīng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種雷諾實(shí)驗(yàn)儀，在實(shí)驗(yàn)臺下方設(shè)有供水箱，在實(shí)驗(yàn)臺上方設(shè)有穩(wěn)水箱，穩(wěn)水箱上方設(shè)有盛顏色水的小水箱，供水箱中的水泵與上水管道相連，在上水管道上裝有上水閥門；穩(wěn)水箱中設(shè)置有分水三通，上水閥門通過管道與分水三通連接，穩(wěn)水箱中設(shè)置垂直相交的側(cè)隔板Ⅰ和側(cè)隔板Ⅱ，在側(cè)隔板Ⅰ上開有穩(wěn)水孔，側(cè)隔板Ⅱ的另一側(cè)與溢流道連接，在穩(wěn)水箱的下段側(cè)壁安裝有喇叭形進(jìn)口，喇叭形進(jìn)口與實(shí)驗(yàn)管道相連接，在實(shí)驗(yàn)管道上間隔安裝有兩個(gè)測壓嘴，兩個(gè)測壓嘴與比壓計(jì)相連接，實(shí)驗(yàn)管道末端設(shè)有尾水閥門；小水箱通過顏色水管道及針頭伸入喇叭形進(jìn)口中。本實(shí)用新型使雷諾實(shí)驗(yàn)得到了準(zhǔn)確的驗(yàn)證。
文檔編號G09B23/12GK201732497SQ201020215878
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者劉亞菲, 張志昌, 汪學(xué)昌 申請人:西安理工大學(xué)