CN102982710A - 雷诺实验仪 - Google Patents

Abstract

雷诺实验仪涉及实验装置技术领域。雷诺实验仪，包括示踪液贮瓶、恒压水槽、转子流量计、低位贮水槽、循环泵、实验管、上下示踪针夹持器、示踪针、旋转臂支座、旋转臂、角铁支架；其特征在于：所述的上下示踪针夹持器分别固定于恒压水槽左档板的中上部和中下部；示踪针由示踪针管卡和管卡紧定螺栓固定于上下示踪针夹持器上，示踪针与实验管同心，上下示踪针夹持器包括恒压水槽左档板、旋转臂支座、旋转臂、角铁支架、示踪针管卡、紧定螺栓，恒压水槽左档板连接旋转臂支座，旋转臂支座通过旋转紧定螺栓连接旋转臂，旋转臂通过支架紧定螺栓连接角铁支架，示踪针通过管卡紧定螺栓和示踪针管卡固定于角铁支架上。

Description

雷诺实验仪

技术领域

雷诺实验仪涉及实验装置技术领域。

背景技术

雷诺准数是判断流动型态的准数，若流体在直形圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{du\ρ}}{\mathrm{\μ}}$

式中，Re——雷诺准数，无因次；  d——管子内径，mm；

u——流体流速，m／s；           ρ——流体密度，kg／m³；

μ——流体粘度；Pa·s。

对于一定温度下的特定流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。

由牛顿粘性定律：

$\mathrm{\τ}=\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dy}}$

式中，μ——流体粘度；Pa·s；   y——管子径向垂直距离，mm；

u——流体流速，m／s。

剪应力的大小与垂垂直与流动方向的速度梯度成正比，与流体固有的粘度μ相关，可知，由于不同流体的粘性不同，流体在流动时，在管道中的流动，管径方向各同心圆上的流速均不相同的。

通常雷诺实验仪是由泵向恒压水槽中加水，在保持水满溢流的状态水压恒定下，通过示踪然后恒压区上部的示踪液贮槽中的示踪剂由针头向雷诺准数实验管中注入，即可观测到流体在管内流动的层流、过度流和紊流（也称湍流）的不同流形变化，记录数据计算雷诺准数的实测值。

现有技术的雷诺实验仪，中国专利200710049057.0、201020215878.4、201020284487.8、200820107489.2、200410025778.4、89204903.0以及《化工原理实验》（21世纪高等院校教材，科学出版社，牟宗刚主编）实验教材中均未公开如何使实验示踪针头与实验管保持平行、实验示踪针头处于实验管中心的技术方案；现在正在使用的雷诺实验装置也因示踪针与实验管难于同心，且示踪针很给保证其垂直度，再就是示踪针头管壁薄针头细长易弯曲变形，因此，目前高校学生所做的实验只称为——雷诺演示实验，实验测定的雷诺准数偏差很大，也即通过现有雷诺实验装置测得的“雷诺准数”无法反映流体的流动类型，只能是雷诺演示实验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一示踪针头与实验管保持平行；目的之二是使实验示踪针头处于实验管中心的问题；目的之三是解决细长针头易弯曲变形的问题。为达到上述目的本发明采用如下技术方案：

一、雷诺实验仪

1、雷诺实验仪包括：示踪液贮瓶1、示踪瓶支架2、恒压水槽3、进水槽4、溢水槽5、上水管6、溢流管7、出水管8、转子流量计9、溢流阀10、流量调节闸阀11、低位贮水槽12、循环泵13、泵出口阀14、泵进口阀15、低位贮水槽出口阀16、可移动框架17、实验管18、实验管口19、上下示踪针夹持器20、示踪针21、示踪液导流软管22、示踪阀23、示踪针颈41、示踪针管42、示踪针管壁43、示踪针嘴44、恒压水槽左档板201、旋转臂支座202、旋转臂203、角铁支架204、示踪针管卡205、管卡紧定螺栓206、支架紧定螺栓207、旋转紧定螺栓208、直形螺栓孔371、膨胀垫圈372、支架紧定螺母373、支架紧定螺栓207；其特征在于：示踪液贮瓶1底部连接示踪阀23，示踪液贮瓶1位于示踪瓶支架2上，示踪瓶支架2焊接连接于恒压水槽3顶部，示踪阀23连接示踪液导流软管22，低位贮水槽12底部连接低位贮水槽出口阀16，低位贮水槽出口阀16连接上水管6，上水管6上装有泵进口阀15循环泵13、泵出口阀14，循环泵13位于泵进口阀15和泵出口阀14之间，上水管6连接进水槽4底部，溢水槽5底部连接溢流管7，实验管18连接出水管8，出水管8上装有转子流量计9，出水管8上装有流量调节闸阀11；

溢水槽5底部连接溢流管7，溢流管7上装有溢流阀10，溢流管7出口位于低位贮水槽12上方；恒压水槽3、进水槽4和溢水槽5均上方敞口的长方体水槽，进水槽4和溢水槽5均位于恒压水槽3右侧，进水槽4靠着恒压水槽3右档板，溢水槽5靠着进水槽4，进水槽4顶部低于溢水槽5，溢水槽5顶部低于恒压水槽3，所述的进水槽4和溢水槽5等宽，进水槽4和溢水槽5宽度均＜溢水槽5右侧档板的宽度；

所述的上下示踪针夹持器20为形状材料尺寸完全相同的两套，上下示踪针夹持器20分别固定于恒压水槽3左档板的中上部和中下部；示踪液导流软管22连接示踪针颈41，示踪针21由示踪针管卡205和管卡紧定螺栓206固定于上下示踪针夹持器20上，示踪针嘴44位于实验管口19中，示踪针嘴44底端低于实验管口19上沿水平面，示踪针21与实验管口19、实验管18同心，实验管口19连接实验管18；

所述的上下示踪针夹持器20包括恒压水槽左档板201、旋转臂支座202、旋转臂203、角铁支架204、示踪针管卡205、管卡紧定螺栓206、支架紧定螺栓207、旋转紧定螺栓208，恒压水槽左档板201连接旋转臂支座202，旋转臂支座202通过旋转紧定螺栓208连接旋转臂203，旋转臂203通过支架紧定螺栓207连接角铁支架204，示踪针21通过管卡紧定螺栓206和示踪针管卡205固定于角铁支架204上。

2、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管18为直形光滑玻璃圆管。

3、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管口19为上阔下窄的45°喇叭管，喇叭管底的管径=实验管18的管径，实验管口19的喇叭管底连接实验管18。

4、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂203上有直形长孔371、支架紧定螺栓207穿过直形长孔371通过膨胀垫圈372和支架紧定螺母373将角铁支架204与旋转臂203连接。

5、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂支座202与恒压水槽左档板201焊接连接。

6、所述的雷诺实验仪，所述的示踪针21，其特征在于：示踪针21由示踪针颈41、示踪针管42、示踪针管壁43、示踪针嘴44组成，示踪针颈41为薄壁的圆柱凸台，示踪针管42为光滑的直形圆柱管，示踪针管42的管径=0.3mm，示踪针颈41的外径=2.3mm，示踪针管壁43的厚度=4mm，示踪针嘴44上部与示踪针主体等径，下部管壁逐渐变薄，示踪针嘴44管壁为锥形口，示踪针嘴44出口端的外径=2.3mm。

7、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的示踪针21为不锈钢材料。

二、雷诺准数的实验方法

1、雷诺准数的实验方法通过以下步骤实验，其特征在于：

步骤1：关闭示踪阀23，将红色墨水加入示踪液贮瓶1中；

步骤2：将示踪阀23与示踪液导流软管22连接；

步骤3：将示踪针21置于角铁支架204上的示踪针管卡205中，用管卡紧定螺栓206紧定；将旋转臂203用旋转预紧螺栓208与旋转臂支座202连接，在旋转臂203的直形螺栓孔371中穿入支架紧定螺栓207再加上膨胀垫圈372，将角铁支架204与旋转臂203连接，套上支架紧定螺栓207预紧；

步骤4：调节示踪针21的垂直度及与实验管18的同心度；旋松紧定螺栓208，旋转旋转臂203，松动支架紧定螺栓207，将角铁支架204调节到合适位置，即使示踪针21与实验管18同心，并与水平面垂直后；

步骤5：连接示踪液导流软管22与示踪针颈41，将水加满低位贮水槽12，然后关闭泵出口阀14和流量调节闸阀11；

步骤6：将水充满低位贮水槽12，记录水温，然后关闭泵出口阀14和流量调节闸阀11，启动循环泵，然后开启泵出口阀14，水经上水管6注满进水槽4后，溢入到恒压水槽3，待液位恒压水槽3不断上升，直到由溢水槽5溢流回到低位贮水槽12后，打开流量调节闸阀11，恒压水槽3中的水流经实验管18，再经转子流量计9和流量调节闸阀11流回低位贮水槽12中，水流量的大小，由流量调节闸阀11调节，可用泵出口阀14控制溢水槽5的溢流量；

步骤7：少许开启流量调节闸阀11，将流速调至所需要的值，再微调示踪液贮瓶1底部的示踪阀23，使示踪液贮瓶1中的示踪剂注入流速与实验管18中主体流体的流速相适应，（一般略低于主体流体的流速为宜）；待流动稳定后，调节流量调节闸阀11的开度，观察在实验管18的中心轴线，出现一条平直的红色细线流；

步骤8：缓慢地加大流量调节闸阀11的开度，使水流量平稳缓缓地增大，实验管18的流速也随之平稳地增大，相应地适当调节循环泵13出口阀的开度，以保持恒压水槽3内通过溢水槽5向外溢流，以确保实验管18内的流体始终为稳定流动，观察实验管18中心轴线上呈直线流动的红色细流，当缓慢提高流量调节闸阀11的开度，红色细流开始发生波动，记录第一流量值；

步骤9：随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流，当流速继续增大时，示踪剂红墨水进入实验管18后，立即呈烟雾状分散在整个实验管18内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线，记录第二流量值；

步骤10：关闭循环泵13，关闭示踪阀23、流量调节闸阀11；

步骤11：打开排空阀17，放出低位贮水槽12里的混合的浅红色流体，完成实验操作。

附图说明

图1：雷诺实验仪主视图；

图2：雷诺实验仪A-A局部剖视放大图；

图3：B向局部放大图；

图4：示踪针21剖面放大图；

图5：流体在管内的流动状态示意图；

图中：1示踪液贮瓶、2示踪瓶支架、3恒压水槽、4进水槽、5溢水槽、6上水管、7溢流管、8出水管、9转子流量计、10溢流阀、11流量调节闸阀、12低位贮水槽、13循环泵、14泵出口阀、15泵进口阀、16低位贮水槽出口阀、17可移动框架、18实验管、19实验管口、20上下示踪针夹持器、21示踪针、22示踪液导流软管、23示踪阀、41示踪针颈、42示踪针管、43示踪针管壁、44示踪针嘴、201恒压水槽左档板、202旋转臂支座、203旋转臂、204角铁支架、205示踪针管卡、206管卡紧定螺栓、207支架紧定螺栓、208旋转紧定螺栓、371直形螺栓孔、372膨胀垫圈、373支架紧定螺母、207支架紧定螺栓。

有益效果

1、克服现有技术的雷诺实验装置中，由于示踪针与实验管的同心度，及示踪针的垂直度难于调节固定，因此，得出的结论与实际判断流体流动类型的雷诺准数离散度很大，且偏低的问题，应用本发明的装置后，实验可得与与判断流体流动类型的雷诺准数相吻合；

2、克服现有技术中雷诺实验装置中，示踪针易弯曲造成的实验结论雷诺准数大大小于流体流动类型的雷诺准数判定值的问题；

3、通过令学生在实验中，调节示踪针，可加深流体在管道中流动所受各因素的影响，加深对流体流动类型及牛顿粘性定律的认识；

4、通过本发明装置的实验，进一步印证流体流动类型的判定准则-雷诺准数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对雷诺实验仪做进一步说明

实施例1

一、雷诺实验仪

1、雷诺实验仪包括：示踪液贮瓶1、示踪瓶支架2、恒压水槽3、进水槽4、溢水槽5、上水管6、溢流管7、出水管8、转子流量计9、溢流阀10、流量调节闸阀11、低位贮水槽12、循环泵13、泵出口阀14、泵进口阀15、低位贮水槽出口阀16、可移动框架17、实验管18、实验管口19、上下示踪针夹持器20、示踪针21、示踪液导流软管22、示踪阀23、示踪针颈41、示踪针管42、示踪针管壁43、示踪针嘴44、恒压水槽左档板201、旋转臂支座202、旋转臂203、角铁支架204、示踪针管卡205、管卡紧定螺栓206、支架紧定螺栓207、旋转紧定螺栓208、直形螺栓孔371、膨胀垫圈372、支架紧定螺母373、支架紧定螺栓207；其特征在于：示踪液贮瓶1底部连接示踪阀23，示踪液贮瓶1位于示踪瓶支架2上，示踪瓶支架2焊接连接于恒压水槽3顶部，示踪阀23连接示踪液导流软管22，低位贮水槽12底部连接低位贮水槽出口阀16，低位贮水槽出口阀16连接上水管6，上水管6上装有泵进口阀15循环泵13、泵出口阀14，循环泵13位于泵进口阀15和泵出口阀14之间，上水管6连接进水槽4底部，溢水槽5底部连接溢流管7，实验管18连接出水管8，出水管8上装有转子流量计9，出水管8上装有流量调节闸阀11；

溢水槽5底部连接溢流管7，溢流管7上装有溢流阀10，溢流管7出口位于低位贮水槽12上方；

恒压水槽3、进水槽4和溢水槽5均上方敞口的长方体水槽，进水槽4和溢水槽5均位于恒压水槽3右侧，进水槽4靠着恒压水槽3右档板，溢水槽5靠着进水槽4，进水槽4顶部低于溢水槽5，溢水槽5顶部低于恒压水槽3，所述的进水槽4和溢水槽5等宽，进水槽4和溢水槽5宽度均＜溢水槽5右侧档板的宽度；

所述的上下示踪针夹持器20为形状材料尺寸完全相同的两套，上下示踪针夹持器20分别固定于恒压水槽3左档板的中上部和中下部（用于固定示踪针21）；

示踪液导流软管22连接示踪针颈41，示踪针21由示踪针管卡205和管卡紧定螺栓206固定于上下示踪针夹持器20上，示踪针嘴44位于实验管口19中，示踪针嘴44底端低于实验管口19上沿水平面，示踪针21与实验管口19、实验管18同心，（避免恒压水槽3中的流体不断溢流，波及到由示踪针嘴44喷出的示踪剂受到影响）实验管口19连接实验管18；

所述的上下示踪针夹持器20包括恒压水槽左档板201、旋转臂支座202、旋转臂203、角铁支架204、示踪针管卡205、管卡紧定螺栓206、支架紧定螺栓207、旋转紧定螺栓208，恒压水槽左档板201连接旋转臂支座202，旋转臂支座202通过旋转紧定螺栓208连接旋转臂203，旋转臂203通过支架紧定螺栓207连接角铁支架204，示踪针21通过管卡紧定螺栓206和示踪针管卡205固定于角铁支架204上。

2、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管18为直形光滑玻璃圆管。（玻璃管透明度好，便于观察实验管18内的流体流动状态的变化，光滑管可使得管内流体与管壁的摩擦阻力降低）。

3、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管口19为上阔下窄的45°喇叭管，喇叭管底的管径=实验管18的管径，实验管口19的喇叭管底连接实验管18。

6、所述的雷诺实验仪，所述的示踪针21，其特征在于：示踪针21由示踪针颈41、示踪针管42、示踪针管壁43、示踪针嘴44组成，示踪针颈41为薄壁的圆柱凸台（用于连接示踪液导流软管22），示踪针管42为光滑的直形圆柱管，示踪针管42的管径=0.3mm，示踪针颈41的外径=2.3mm，示踪针管壁43的厚度=4mm，示踪针嘴44上部与示踪针主体等径，下部管壁逐渐变薄，示踪针嘴44管壁为锥形口，示踪针嘴44出口端的外径=2.3mm。

5、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂支座202与恒压水槽左档板201焊接连接。（使其固定牢固，不松动。）

6、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂203上有直形长孔371、支架紧定螺栓207穿过直形长孔371通过膨胀垫圈372和支架紧定螺母373将角铁支架204与旋转臂203连接。（便于调节角铁支架204的横向长度。）

7、所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的示踪针21为不锈钢材料。

实施例2

二、雷诺准数的实验方法

1、雷诺准数的实验方法通过以下步骤实验，其特征在于：

步骤1：关闭示踪阀23，将红色墨水加入示踪液贮瓶1中；

步骤2：将示踪阀23与示踪液导流软管22连接；

步骤3：将示踪针21置于角铁支架204上的示踪针管卡205中，用管卡紧定螺栓206紧定；将旋转臂203用旋转预紧螺栓208与旋转臂支座202连接，在旋转臂203的直形螺栓孔371中穿入支架紧定螺栓207再加上膨胀垫圈372，将角铁支架204与旋转臂203连接，套上支架紧定螺栓207预紧；

步骤4：调节示踪针21的垂直度及与实验管18的同心度；旋松紧定螺栓208，旋转旋转臂203，松动支架紧定螺栓207，将角铁支架204调节到合适位置，即使示踪针21与实验管18同心，并与水平面垂直后；（可用直线下栓一重物，拉住直线，使其自然下垂的垂线法调节踪液针头21垂直度）；

步骤5：连接示踪液导流软管22与示踪针颈41，将水加满低位贮水槽12，然后关闭泵出口阀14和流量调节闸阀11；

步骤6：将水充满低位贮水槽12，记录水温，然后关闭泵出口阀14和流量调节闸阀11，启动循环泵，然后开启泵出口阀14，水经上水管6注满进水槽4后，溢入到恒压水槽3，待液位恒压水槽3不断上升，直到由溢水槽5溢流回到低位贮水槽12后，打开流量调节闸阀11，恒压水槽3中的水流经实验管18，再经转子流量计9和流量调节闸阀11流回低位贮水槽12中，水流量的大小，由流量调节闸阀11调节，可用泵出口阀14控制溢水槽5的溢流量；

步骤7：少许开启流量调节闸阀11，将流速调至所需要的值，再微调示踪液贮瓶1底部的示踪阀23，使示踪液贮瓶1中的示踪剂注入流速与实验管18中主体流体的流速相适应，（一般略低于主体流体的流速为宜）；待流动稳定后，调节流量调节闸阀11的开度，观察在实验管18的中心轴线，出现一条平直的红色细线流；

步骤8：缓慢地加大流量调节闸阀11的开度，使水流量平稳缓缓地增大，实验管18的流速也随之平稳地增大，相应地适当调节循环泵13出口阀的开度，以保持恒压水槽3内通过溢水槽5向外溢流，以确保实验管18内的流体始终为稳定流动，观察实验管18中心轴线上呈直线流动的红色细流，当缓慢提高流量调节闸阀11的开度，红色细流开始发生波动，记录第一流量值；

步骤9：随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流，当流速继续增大时，示踪剂红墨水进入实验管18后，立即呈烟雾状分散在整个实验管18内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线，记录第二流量值；

步骤10：关闭循环泵13，关闭示踪阀23、流量调节闸阀11；

步骤11：打开排空阀17，放出低位贮水槽12里的混合的浅红色流体，完成实验操作。

除说明书中所述的特征外，均为所属领域技术人员已知的技术。

Claims (7)

1.雷诺实验仪包括：示踪液贮瓶、示踪瓶支架、恒压水槽、进水槽、溢水槽、上水管、溢流管、出水管、转子流量计、溢流阀、流量调节闸阀、低位贮水槽、循环泵、泵出口阀、泵进口阀、低位贮水槽出口阀、可移动框架、实验管、实验管口、上下示踪针夹持器、示踪针、示踪液导流软管、示踪阀、示踪针颈、示踪针管、示踪针管壁、示踪针嘴、恒压水槽左档板、旋转臂支座、旋转臂、角铁支架、示踪针管卡、管卡紧定螺栓、支架紧定螺栓、旋转紧定螺栓、直形螺栓孔、膨胀垫圈、支架紧定螺母、支架紧定螺栓；其特征在于：示踪液贮瓶底部连接示踪阀，示踪液贮瓶位于示踪瓶支架上，示踪瓶支架焊接连接于恒压水槽顶部，示踪阀连接示踪液导流软管，低位贮水槽底部连接低位贮水槽出口阀，低位贮水槽出口阀连接上水管，上水管上装有泵进口阀循环泵、泵出口阀，循环泵位于泵进口阀和泵出口阀之间，上水管连接进水槽底部，溢水槽底部连接溢流管，实验管连接出水管，出水管上装有转子流量计，出水管上装有流量调节闸阀；

溢水槽底部连接溢流管，溢流管上装有溢流阀，溢流管出口位于低位贮水槽上方；恒压水槽、进水槽和溢水槽均上方敞口的长方体水槽，进水槽和溢水槽均位于恒压水槽右侧，进水槽靠着恒压水槽右档板，溢水槽靠着进水槽，进水槽顶部低于溢水槽，溢水槽顶部低于恒压水槽，所述的进水槽和溢水槽等宽，进水槽和溢水槽宽度均＜溢水槽右侧档板的宽度；

所述的上下示踪针夹持器为形状材料尺寸完全相同的两套，上下示踪针夹持器分别固定于恒压水槽左档板的中上部和中下部；示踪液导流软管连接示踪针颈，示踪针由示踪针管卡和管卡紧定螺栓固定于上下示踪针夹持器上，示踪针嘴位于实验管口中，示踪针嘴底端低于实验管口上沿水平面，示踪针与实验管口、实验管同心，实验管口连接实验管；所述的上下示踪针夹持器包括恒压水槽左档板、旋转臂支座、旋转臂、角铁支架、示踪针管卡、管卡紧定螺栓、支架紧定螺栓、旋转紧定螺栓，恒压水槽左档板连接旋转臂支座，旋转臂支座通过旋转紧定螺栓连接旋转臂，旋转臂通过支架紧定螺栓连接角铁支架，示踪针通过管卡紧定螺栓和示踪针管卡固定于角铁支架上。

2.如权利要求1所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管为直形光滑玻璃圆管。

3.如权利要求1所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的实验管口为上阔下窄的45°喇叭管，喇叭管底的管径=实验管的管径，实验管口的喇叭管底连接实验管。

4.如权利要求1所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂上有直形长孔、支架紧定螺栓穿过直形长孔通过膨胀垫圈和支架紧定螺母将角铁支架与旋转臂连接。

5.如权利要求1所述的雷诺实验仪，其特征在于：所述的旋转臂支座与恒压水槽左档板焊接连接。

6.所述的雷诺实验仪，所述的示踪针，其特征在于：示踪针由示踪针颈、示踪针管、示踪针管壁、示踪针嘴组成，示踪针颈为薄壁的圆柱凸台，示踪针管为光滑的直形圆柱管，示踪针管的管径=0.3mm，示踪针颈的外径=2.3mm，示踪针管壁的厚度=4mm，示踪针嘴上部与示踪针主体等径，下部管壁逐渐变薄，示踪针嘴管壁为锥形口，示踪针嘴出口端的外径=2.3mm。

7.如权利要求6所述的示踪针，其特征在于：所述的示踪针为不锈钢材料。

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