CN105115696A - 一种多功能流体力学实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能流体力学实验装置，包括与带有电磁阀的进水管连接的水箱、控制器和触摸屏，所述水箱的侧壁设有两个不等高的压力变送器，水箱的底部通过管道分别连接有第一抽水泵和第二抽水泵，第一抽水泵通过管道与带有电磁阀的第一水平管连接，第一水平管通过竖直管与较低处的第二水平管连接，第一、二水平管上均设有流量计和压力变送器，第二抽水泵通过带有电磁阀和流量计的管道与水平的雷诺管连接，雷诺管的入口端通过带有电磁阀的管道与位于高处的墨水盒连接，所述的第一、二抽水泵以及所有的电磁阀、压力变送器和流量计均分别与控制器连接，所述控制器与触摸屏连接。能完成多项流体力学实验，测量精度高，全自动化操作，实验效率高。
Description
技术领域
本发明属于流体力学实验教学设备领域，具体涉及一种多功能流体力学实验装置。
背景技术
目前，传统的流体力学实验教学设备存在以下问题：1）功能单一，一个实验装置只能完成一项流体力学实验，每项实验都需要进行大量的准备工作，效率低；2）实验时，压强和流量的测定大多采用传统的压力管和毕托管，这样测得数据读取时间长且精确度低；3）实验时，各项检测数据都需要及时手抄记录，完成操作后，再进行核算比对，而且实验时各种阀门需手动启闭或手动调节开度，自动化程度低。
发明内容
针对现有的技术问题本发明的目的是提供一种多功能流体力学实验装置，能完成多项流体力学实验，测量精度高，全自动化操作，实验效率高。
本发明所采用的技术方案是：
一种多功能流体力学实验装置，包括与带有电磁阀的进水管连接的水箱、控制器和触摸屏，所述水箱的侧壁设有两个不等高的压力变送器，水箱的底部通过管道分别连接有第一抽水泵和第二抽水泵，第一抽水泵通过管道与带有电磁阀的第一水平管连接，第一水平管通过竖直管与较低处的第二水平管连接，第一、二水平管上均设有流量计和压力变送器，第二抽水泵通过带有电磁阀和流量计的管道与水平的雷诺管连接，雷诺管的入口端通过带有电磁阀的管道与位于高处的墨水盒连接，所述的第一、二抽水泵以及所有的电磁阀、压力变送器和流量计均分别与控制器连接，所述控制器与触摸屏连接。
进一步地，所述水箱的底部设有液位计，液位计与控制器连接。
进一步地，所述第二抽水泵通过两个支路管道分别连接至雷诺管，所述两个支路管道上均设有电磁阀和流量计，两个支路管道上的流量计的量程各不相同。
进一步地，所述两个抽水泵均为磁力泵。
进一步地，所述控制器为PLC控制器。
本发明的有益效果是：
1.该实验装置可以完成静水力学实验、伯努利实验和雷诺实验，结构简单，功能多样；采用电磁阀代替传统的水阀装置，实现自动启闭；采用压力变送器和流量计分别替代传统的压力管和毕托管，测量精确且能实时传递测量数据；该实验装置通过控制器控制各个执行元件完成整个实验实现了全自动化控制，省去了实验前调试仪器的麻烦，操作简单方便，效率高；各个观测元件实时采集数据并显示在触摸屏上，不用观察刻度，精度高。
2.液位计实时检测水箱的水位并显示在触摸屏上，当水位过高或过低时，可以提示或警报，保证实验的安全进行。
3.第二抽水泵通过两个支路管道分别与雷诺管连接，当观测层流状态时，采用量程较小的流量计所在的支路，当观测过渡状态和紊流状态时，采用量程较大的流量计所在的支路，既保证了测量精度又防止了超出量程。
4.抽水泵采用磁力泵不会产生泄漏，防止了因泄漏产生的误差，同时通过调整磁力泵转速来控制流量大小而非传统的调节阀门大小，效率高。
5.PLC控制器可靠性高，抗干扰能力强，与触摸屏配合方便兼容性强。
附图说明
图1是本发明实施例不包含控制器和触摸屏的结构示意图。
图中：1-雷诺管；2-第四流量计；3-第四电磁阀；4-第二磁力泵；5-进水管；6-第一电磁阀；7-水箱；8-第一压力变送器；9-第二压力变送器；10-液位计；11-第一磁力泵；12-第二电磁阀；13-第一流量计；14-第三压力变送器；15-第二流量计；16-第四压力变送器；17-第二水平管；18-第三电磁阀；19-第三流量计；20-墨水盒；21-第五电磁阀；22-出水管；23-第一水平管；24-竖直管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，在本实施例中，一种多功能流体力学实验装置，包括水箱7、液位计10、第一磁力泵11、第二磁力泵4、第一流量计13、第二流量计15、第三流量计19、第四流量计2、第一压力变送器8、第二压力变送器9、第三压力变送器14、第四压力变送器16、第一电磁阀6、第二电磁阀12、第三电磁阀18、第四电磁阀3、第五电磁阀21、进水管5、第一水平管23、第二水平管17、竖直管24、墨水盒20、雷诺管1、出水管22、PLC控制器和触摸屏；所述水箱7的底部与带有第一电磁阀6的进水管5连接，水箱7的底部设有液位计10，水箱7的侧壁分别设有不等高的第一压力变送器8和第二压力变送器9，水箱7的底部通过管道分别连接第一磁力泵11和第二磁力泵4，第一磁力泵11通过管道连接第一水平管23，第一水平管23上依次设有第二电磁阀12、第一流量计13和第三压力变送器14，第一水平管23通过竖直管24与位置较低的第二水平管17连接，第二水平管17上依次设有第二流量计15和第四压力变送器16，第二磁力泵4分别通过两条支路管道连接至水平的雷诺管1，一条支路管道上设有第三电磁阀18和第三流量计19，另一条支路管道上设有第四电磁阀3和第四流量计2（第三流量计19和第四流量计2的量程不相同），位于高处的墨水盒20通过带有第五电磁阀21的管道连接至雷诺管1的入口端，第二水平管17还起到了排水的作用，雷诺管1的出口端与出水管22连接；所述第一磁力泵11和第二磁力泵4均通过变频器（调频变速）和继电器组（控制开与关）与PLC控制器连接，所述液位计10、第一流量计13、第二流量计15、第三流量计19、第四流量计2、第一压力变送器8、第二压力变送器9、第三压力变送器14、第四压力变送器16均通过A/D模块与PLC控制器连接，所述第一电磁阀6、第二电磁阀12、第三电磁阀18、第四电磁阀3、第五电磁阀21分别与PLC控制器连接，所述PLC控制器与触摸屏连接，实验人员通过通过触摸屏进行直接操作。
该实验装置采用PLC控制器，PLC控制器可靠性高，抗干扰能力强，与触摸屏配合方便兼容性强；抽水泵采用磁力泵不会产生泄漏，防止了因泄漏产生的误差，同时通过调整磁力泵转速来控制流量大小而非传统的调节阀门大小，效率高；采用电磁阀代替传统的水阀装置，实现自动启闭；采用压力变送器和流量计分别替代传统的压力管和毕托管，测量精确且能实时传递测量数据；该实验装置通过控制器控制各个执行元件完成整个实验实现了全自动化控制，省去了实验前调试仪器的麻烦，操作简单方便，效率高；各个观测元件实时采集数据并显示在触摸屏上，不用观察刻度，精度高。
该实验装置可以完成静水力学实验、伯努利实验和雷诺实验，结构简单，功能多样，其实验步骤如下：
静水力学实验：打开第一电磁阀6，进水管5向水箱7供水，液位计10实时检测水箱7的水位并显示在触摸屏上，当水分别淹没第一压力变送器8和第二压力变送器9时，触摸屏上会显示两处的压力值，由于第一压力变送器8和第二压力变送器9位置固定不变（即压力值不变），记录下相应压力值，代入静水力学的相应公式中，验证公式是否成立，即完成静水力学实验。
在静水力学实验中，液位计10实时检测水箱7的水位并显示在触摸屏上，当水位过高或过低时，可以提示或警报，保证实验的安全进行。
伯努利实验：打开第一磁力泵11和第二电磁阀12，水依次流过第一水平管23、竖直管24和第二水平管17，读取第一流量计13、第二流量计15、第三压力变送器14和第四压力变送器16的输出数值，验证伯努利方程的时候，忽略相应的损失，如果取第二水平管17的位置水头为0，则第一水平管23的位置水头为竖直管24的高度，由于第二流量计15和第四压力变送器16的位置较低，所以相应的压强和流速应该小于第一流量计13和第三压力变送器14的数值，但是再加上位置水头，方程的两边近似相等，即验证了伯努利实验。
雷诺实验：打开第二磁力泵4和第三电磁阀18（关闭第四电磁阀3），通过控制第二磁力泵4的转速，将水流流速控制在一个较小的范围内，然后打开第五电磁阀21，墨会和缓慢的水流保持相对静止（层流状态）；打开第二磁力泵4和第四电磁阀3（关闭第三电磁阀18），打开第五电磁阀21，逐步提高第二磁力泵4的转速，此时墨会在水流中出现波状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加（过渡状态），当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡（紊流状态）；观察第三流量计19和第四流量计2的数值并记录实验现象，即完成雷诺实验。
在雷诺实验中，第三流量计19和第四流量计2的量程不同（第三流量计19的量程较小、第四流量计2的量程较大），所以观测层流状态时，采用量程较小的第三流量计19所在的支路，观测过渡状态和紊流状态时，采用量程较大的第四流量计2所在的支路，既保证了测量精度又防止了超出量程。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种多功能流体力学实验装置，其特征在于：包括与带有电磁阀的进水管连接的水箱、控制器和触摸屏，所述水箱的侧壁设有两个不等高的压力变送器，水箱的底部通过管道分别连接有第一抽水泵和第二抽水泵，第一抽水泵通过管道与带有电磁阀的第一水平管连接，第一水平管通过竖直管与较低处的第二水平管连接，第一、二水平管上均设有流量计和压力变送器，第二抽水泵通过带有电磁阀和流量计的管道与水平的雷诺管连接，雷诺管的入口端通过带有电磁阀的管道与位于高处的墨水盒连接，所述的第一、二抽水泵以及所有的电磁阀、压力变送器和流量计均分别与控制器连接，所述控制器与触摸屏连接。
2.如权利要求1所述的一种多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述水箱的底部设有液位计，液位计与控制器连接。
3.如权利要求1所述的一种多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述第二抽水泵通过两个支路管道分别连接至雷诺管，所述两个支路管道上均设有电磁阀和流量计，两个支路管道上的流量计的量程各不相同。
4.如权利要求1所述的一种多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述两个抽水泵均为磁力泵。
5.如权利要求1所述的一种多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述控制器为PLC控制器。
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