一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。尤其涉及一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]流體力學(xué)水力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，沿程阻力實(shí)驗(yàn)是大中專(zhuān)院校中應(yīng)用很廣泛的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其所使用的沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀，通常由水泵直接供水，是一種自循環(huán)供水實(shí)驗(yàn)儀器。這種實(shí)驗(yàn)儀器因水泵引起的自循環(huán)管道系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)精度和穩(wěn)定性。以下以傳統(tǒng)常用的7毫米實(shí)驗(yàn)管道的沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀為例，說(shuō)明其技術(shù)背景，以下說(shuō)明中所涉及的技術(shù)數(shù)據(jù)，均以這一實(shí)例為背景。
[0003]沿程阻力實(shí)驗(yàn)包括層流實(shí)驗(yàn)和湍流實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其湍流實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)管道的作用水頭高，流量大，如上例所述的供水泵的揚(yáng)程為8-20米，最大流量為200-300毫升每秒，這種高揚(yáng)程的泵會(huì)引起較大的壓力波動(dòng)，尤其在低壓端可達(dá)數(shù)厘米的水柱或更高。由于層流實(shí)驗(yàn)階段，流量很小，其最大流量值約為每秒10毫升左右，其層流損失約在1-3厘米范圍(與水溫有關(guān))，因此水泵直供的自循環(huán)系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)使層流實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)法正常進(jìn)行。另外，管道層流流態(tài)的本身是不會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的，如果所測(cè)的層流壓強(qiáng)，有明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象，是不符合客觀規(guī)律，也有違教學(xué)的基本概念。因此從實(shí)驗(yàn)誤差或教學(xué)要求而言，都希望在層流實(shí)驗(yàn)階段，測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)越小越好。
[0004]傳統(tǒng)上穩(wěn)壓方式是采用穩(wěn)壓罐的方式，而不是穩(wěn)壓箱的方式。所謂穩(wěn)壓箱是水泵將水先輸送到有自由液面一個(gè)箱體，經(jīng)箱體穩(wěn)壓后的水體，再供給實(shí)驗(yàn)管道。穩(wěn)壓箱穩(wěn)壓供水只適用于作用水頭I米以下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。而沿程實(shí)驗(yàn)在湍流實(shí)驗(yàn)階段，供水水頭會(huì)高達(dá)10-20米，因此不適合通過(guò)穩(wěn)壓箱供水，這就是傳統(tǒng)上沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀只能通過(guò)密閉穩(wěn)壓罐來(lái)供水的原因。如果該穩(wěn)壓罐足夠大，再加上分流處理，可以達(dá)到較理想的穩(wěn)壓效果，例如上例，經(jīng)本發(fā)明人實(shí)驗(yàn)研宄，表明穩(wěn)壓罐的直徑需達(dá)25厘米以上，再加裝分流管，經(jīng)過(guò)分流處理，才能在層流流態(tài)下使穩(wěn)壓效果達(dá)到土1毫米。這是現(xiàn)有最好的一種穩(wěn)壓方式。這種穩(wěn)壓方式存在以下兩個(gè)問(wèn)題:一是對(duì)穩(wěn)壓罐耐壓要求高，罐體制造成本大；二是目前市場(chǎng)上已沒(méi)有能達(dá)到穩(wěn)壓要求的這類(lèi)罐體。因此目前所用的沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀，除本發(fā)明人生產(chǎn)的之外，已沒(méi)有采用這種大壓力罐穩(wěn)壓的沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀?，F(xiàn)在采用的都是小型壓力罐，其穩(wěn)壓效果普遍很差，在層流狀態(tài)下只能達(dá)到4-6毫米以上的穩(wěn)壓效果。即使象這樣的穩(wěn)壓性，也必須要加裝分流裝置，才能達(dá)到。象這類(lèi)壓力波動(dòng)在2毫米以上的實(shí)驗(yàn)儀，是不能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的。
[0005]如何以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)與方法來(lái)解決水泵直供的沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀壓力穩(wěn)定問(wèn)題，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域中急待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器及其方法，以提高水泵直供沿程阻力實(shí)驗(yàn)儀的穩(wěn)壓效果，尤其是提高層流階段的穩(wěn)壓性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器具有水泵出水管、帶節(jié)流孔閥門(mén)、穩(wěn)壓罐和實(shí)驗(yàn)管道供水管；水泵出水管上設(shè)置有帶節(jié)流孔閥門(mén)。
[0008]所述的帶節(jié)流孔閥門(mén)，在其閥門(mén)關(guān)閉的活動(dòng)閥板上開(kāi)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)流孔。所述的穩(wěn)壓罐是設(shè)置于帶節(jié)流孔閥門(mén)與實(shí)驗(yàn)管道供水管之間。
[0009]所述穩(wěn)壓器的節(jié)流式層流湍流實(shí)驗(yàn)方法是:湍流實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶節(jié)流孔閥門(mén)全開(kāi)，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為湍流實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；
當(dāng)進(jìn)行層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，將帶節(jié)流孔閥門(mén)全關(guān)，實(shí)驗(yàn)水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出，再流入到穩(wěn)壓罐，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為層流實(shí)驗(yàn)狀
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[0010]當(dāng)閥門(mén)全關(guān)時(shí)，閥前引自水泵的有壓水經(jīng)節(jié)流孔流向?qū)嶒?yàn)管道。這一股小流量流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，節(jié)流孔能很好消除因水泵引起的閥前水壓波動(dòng)，起到很好的消波穩(wěn)壓作用。再經(jīng)目前常用的小型穩(wěn)壓罐(如直徑10厘米左右的自來(lái)水管道用過(guò)濾器的外筒)二次穩(wěn)壓，便可達(dá)到大型穩(wěn)壓罐加分流裝置所能達(dá)到的更高精度，如上例經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其穩(wěn)壓精度在土0.5毫米以內(nèi)。因而可在水泵直供條件下，能完全滿足層流實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)壓供水需求。解決了長(zhǎng)期以來(lái)水泵直供條件下很難解決的層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定問(wèn)題。這一穩(wěn)壓裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是:
1、可在水泵直供條件下，實(shí)現(xiàn)I毫米級(jí)的穩(wěn)壓性能，能完全滿足層流實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)壓供水需求。解決了長(zhǎng)期以來(lái)水泵直供條件下很難解決的層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定問(wèn)題；
2、用小型壓力罐替換了市場(chǎng)上斷貨的大型壓力罐，還可以省去傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的分流管；
3、巧妙利用流體力學(xué)原理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)壓效果好。
[0012]4、作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用創(chuàng)新，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新能力有益。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中各結(jié)構(gòu)件名稱如下:1水泵出水管，2帶節(jié)流孔的閥門(mén)，3穩(wěn)壓罐，4實(shí)驗(yàn)管道供水管，5活動(dòng)閥板。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器具有水泵出水管1、帶節(jié)流孔閥門(mén)2、穩(wěn)壓罐3和實(shí)驗(yàn)管道供水管4 ;水泵出水管I上設(shè)置有帶節(jié)流孔閥門(mén)2。
[0015]所述的帶節(jié)流孔閥門(mén)2，在其閥門(mén)關(guān)閉的活動(dòng)閥板5上開(kāi)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)流孔。所述的穩(wěn)壓罐3是設(shè)置于帶節(jié)流孔閥門(mén)2與實(shí)驗(yàn)管道供水管4之間。
[0016]如果在水泵與穩(wěn)壓罐之間，加裝一個(gè)可調(diào)節(jié)開(kāi)度的閥門(mén)，利用調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行限流穩(wěn)壓，也能達(dá)到穩(wěn)壓的作用，但過(guò)于麻煩，師生不愿采用。因?yàn)榉€(wěn)壓的限流要求是非?？量痰?，太小達(dá)不到層流最大流量的要求，太大引起壓力波動(dòng)，超過(guò)允許范圍。上例所示是教學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的，其層流的流量?jī)H為10毫升每秒左右，在高壓管道內(nèi)，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度要達(dá)到規(guī)定的層流階段最大流量范圍，稍有不慎，就會(huì)偏大或偏小。而在回調(diào)時(shí)，因普通可調(diào)節(jié)閥門(mén)都有一個(gè)空行程，操作更加麻煩。所以，傳統(tǒng)上從來(lái)沒(méi)有采用調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行層流的穩(wěn)定性能調(diào)節(jié)的。
[0017]為解決上述問(wèn)題，并考慮到受水泵影響，該穩(wěn)壓器的輸入水體壓力波動(dòng)很大。本發(fā)明為消除小流量時(shí)層流實(shí)驗(yàn)的壓力波動(dòng)現(xiàn)象，在閥門(mén)上開(kāi)設(shè)節(jié)流孔。層流實(shí)驗(yàn)在閥門(mén)全關(guān)時(shí)進(jìn)行，此時(shí)閥前的波動(dòng)水流只能經(jīng)過(guò)節(jié)流孔流向閥后，節(jié)流孔的大小，正好使過(guò)流量控制在能滿足層流所需的流量范圍內(nèi)。由于節(jié)流孔有很好的消波穩(wěn)壓作用，當(dāng)這一股小流量水流經(jīng)節(jié)流孔流到閥后時(shí)，即處于壓力基本穩(wěn)定狀態(tài)，再經(jīng)穩(wěn)壓罐二次穩(wěn)壓，當(dāng)流到穩(wěn)壓器的輸出端時(shí)，便能使其穩(wěn)壓精度在土0.5毫米以內(nèi)，因而可在水泵直供條件下，滿足層流實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)壓供水需求。
[0018]壓力罐的大小可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)管道的粗細(xì)選定，如0.7毫米的實(shí)驗(yàn)管道，可選用直徑10厘米左右的自來(lái)水管道用過(guò)濾器的外筒。節(jié)流孔大小與孔數(shù)是根據(jù)最大層流流量來(lái)實(shí)驗(yàn)確定，要求當(dāng)節(jié)流孔閥門(mén)2全關(guān)情況下，其過(guò)流量能滿足層流實(shí)驗(yàn)的流量要求即可。
[0019]實(shí)驗(yàn)操作方法:
湍流實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶節(jié)流孔閥門(mén)2全開(kāi)，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐3穩(wěn)壓，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為湍流實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；
當(dāng)進(jìn)行層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，將帶節(jié)流孔閥門(mén)2全關(guān)，實(shí)驗(yàn)水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出，再流入到穩(wěn)壓罐3，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為層流實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。
[0020]無(wú)論層流或湍流階段的實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)，都可通過(guò)實(shí)驗(yàn)管道末端的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。本穩(wěn)壓系統(tǒng)可以裝，也可以不裝分流管，均能達(dá)到穩(wěn)壓要求，尤其是層流階段的穩(wěn)壓要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器，其特征在于它具有水泵出水管(1)、帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)、穩(wěn)壓罐(3)和實(shí)驗(yàn)管道供水管(4);水泵出水管(I)上設(shè)置有帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器，其特征在于所述的帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)，在其閥門(mén)關(guān)閉的活動(dòng)閥板(5)上開(kāi)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)流孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器，其特征在于所述的穩(wěn)壓罐(3)是設(shè)置于帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)與實(shí)驗(yàn)管道供水管(4)之間。
4.一種如權(quán)利要求1所述穩(wěn)壓器的節(jié)流式層流湍流實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:湍流實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)全開(kāi)，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐(3)穩(wěn)壓，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為湍流實(shí)驗(yàn)狀態(tài)； 當(dāng)進(jìn)行層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，將帶節(jié)流孔閥門(mén)(2)全關(guān)，實(shí)驗(yàn)水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出，再流入到穩(wěn)壓罐(3)，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實(shí)驗(yàn)管道，實(shí)驗(yàn)管道中的水流流態(tài)為層流實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種節(jié)流式層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓器及其方法。它具有水泵出水管、帶節(jié)流孔的閥門(mén)、穩(wěn)壓罐和實(shí)驗(yàn)管道供水管，在閥門(mén)的閥板上開(kāi)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)流孔。當(dāng)閥門(mén)全關(guān)時(shí)，閥前引自水泵的有壓水經(jīng)節(jié)流孔流向?qū)嶒?yàn)管道。這一股小流量流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，節(jié)流孔能很好消除因水泵引起的閥前水體壓力波動(dòng)，起到很好的消波穩(wěn)壓作用。再經(jīng)穩(wěn)壓罐二次穩(wěn)壓，使其穩(wěn)壓精度在±0.5毫米以內(nèi)，因而可在水泵直供條件下，滿足層流實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)壓供水需求。解決了長(zhǎng)期以來(lái)水泵直供條件下很難解決的層流實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定問(wèn)題。這一穩(wěn)壓裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉。本發(fā)明裝置還可以用于穩(wěn)壓性能要求高的小流量系統(tǒng)中。
【IPC分類(lèi)】F16L55-04, F16K47-04, F16L55-055
【公開(kāi)號(hào)】CN104776291
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510139036
【發(fā)明人】毛欣煒, 毛根海
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日