CN106920439A - 一种雷诺实验仪及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷诺实验仪及实验方法，它包括水温调控系统、实验整流系统、实验演示系统及水体循环系统。本发明要解决的技术问题在于，针对现有雷诺实验仪完全依靠改变圆管中水流流速方式调整雷诺数，在水流从层流向紊流转化或紊流向层流转化的关键阶段，提供一种通过改变水温而改变雷诺数的雷诺实验仪，减弱调整流速引起的水流扰动对实验结果的影响。

Description

一种雷诺实验仪及实验方法

技术领域

本发明涉及一种新型雷诺实验装置及实验方法，属于水力学实验仪器领域。

背景技术

雷诺实验在水力学的发展史上具有重要地位，是水力学初学者了解水流的层流和紊流两种流态及其过渡和转化规律的重要实验，因此在水力学教学中雷诺试验仪是种必不可少的教学实验装置。

当管径一定时，随着流速的改变，圆管中可出现不同流态，一般通过计算圆管雷诺数来判别水流流态。雷诺试验仪正是通过改变圆管中水流的雷诺数演示水流在不同雷诺数下的运动状态及其在层流和紊流间相互转化过程的教学装置。

在当前，雷诺试验仪中雷诺数的改变主要通过改变圆管中流速来达到实验目的，流速的改变往往通过调节流量来实现，但在实际操作时，由于流速调节造成的水流扰动会直接影响实验的结果和精度，特别是水流从层流向紊流转化或紊流向层流转化的关键阶段，观察的实验规律不明显，多次重复实验得到的临界雷诺数并不稳定，且偏差较大，对于水流的两种流态及其转化关系不熟悉的操作者而言，更是如此，甚至会影响实验的教学效果及学生对雷诺数的认知。

因此发明新的实验装置，减小实验关键阶段流量变化对实验精度的影响，提高实验的教学效果成为必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有雷诺实验仪完全依靠改变圆管中水流流速方式调整雷诺数，在水流从层流向紊流转化或紊流向层流转化的关键阶段，提供一种通过改变水温而改变雷诺数的雷诺实验仪，减弱调整流速引起的水流扰动对实验结果的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种雷诺实验仪及实验方法，它包括水温调控系统、实验整流系统、实验演示系统及水体循环系统；

所述水温调控系统由热水系统模块、冷水系统模块及水体混合系统模块组成，所述热水系统模块包括加热系统和热蓄水保温箱，所述加热系统与热蓄水保温箱相连；所述冷水系统模块包括制冷系统和冷蓄水保温箱，所述制冷系统与冷蓄水保温箱相连；所述水体混合系统模块包括混水阀，所述混水阀出水管道上安装有抽水泵，抽水泵之后安装有流量调节器，所述抽水泵上安装有水温控制装置；

所述实验整流系统包括整流箱，在整流箱内部设置有多块整流板；

所述实验演示系统包括示踪剂存储箱，所述示踪剂存储箱的底部安装有示踪剂导流管，所述示踪剂导流管上安装有示踪剂调节阀门，所述示踪剂导流管的另一端连通在透明保温玻璃管段上，在透明保温玻璃管段上安装有控制阀门；

所述水体循环系统包括尾水水箱，所述尾水水箱位于透明保温玻璃管段的末端正下方，在尾水水箱内部设置有灵敏温度计，尾水水箱的底部连通有循环管，所述循环管上依次安装有第一控制阀、抽水泵、分水阀和第二控制阀，所述循环管的出水端设置有水箱。

所述混水阀采用恒温混水阀，能够在小范围内自动维持设定的出水温度。

所述热蓄水保温箱和冷蓄水保温箱的外部包裹有保温材料。

所述整流箱与流量调节器之间使用软管柔性连接；整流箱内设置两块平行直立整流板。

所述透明保温玻璃管段单元采用含隔温层透明玻璃管。

所述加热系统的进水管上设置有第三控制阀。

所述制冷系统的进水管上设置有第四控制阀。

采用任意一项所述雷诺实验仪的试验方法，它包括以下步骤：

第一步，打开进水口第四控制阀和第三控制阀，连通外界冷水系统与冷水系统模块、热水系统模块，使来水分别经加热系统、制冷系统储存在对应热蓄水保温箱、冷蓄水保温箱；

第二步，在混水系统模块中，调节水温控制装置设置温度，利用混水阀将热蓄水、冷蓄水混合成恒温水，通过抽水泵泵送至实验整流演示模块；

第三步，实验模块中，经整流箱整流的特定温度水与示踪剂汇合，流经透明保温玻璃管段，汇集于尾水箱中；待尾水箱存水一定时，开启抽水泵，将尾水汇集模块的实验水泵送至热水系统模块中循环利用，若是多台雷诺实验仪共同演示，也可调整分水阀，开启出口控制阀门，分水进入水箱。

第四步，实验第一阶段，雷诺数由低到高演示实验；

第五步，实验第二阶段，雷诺数由高到低演示实验。

雷诺数由低到高演示实验具体操作为，控制混水系统模块中的流量调节器调整流量，微开示踪剂阀门，可以看到管中的有色液体呈现一条细直流线，说明此流态为层流；逐渐缓慢开大流量调节器阀门，流量由小到大对应到雷诺数1800±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器调节设置；开始逐步调整水温控制装置的设置温度，可以观察到玻璃管内有色直线开始出现脉动，但流体质点还未达到相互交换程度，此时，即为流体流动状态开始转换的上临界状态，记下此刻实验温度，可以求解出水流从层流向紊流转化的实际雷诺数；继续缓慢调整水温控制装置的设置温度，可以观察到有色直线完全紊乱，水体流态进入紊流阶段，继续调整水温控制装置对应到雷诺数3000±200确定的水体温度时停止调整；重新调整混水系统模块中的流量调节器，调大流量。

雷诺数由高到低演示实验具体操作为，控制混水系统模块中的流量调节器调整流量，流量由大到小对应到雷诺数3000±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器调节设置；开始调整水温控制装置的设置温度，观察到水流从紊流向层流转化的实验现象，记下此刻实验温度，可以求解出水流从紊流向层流转化的实际雷诺数；继续调整水温控制装置的设置温度，试验玻璃管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流；对应到雷诺数1800±200计算出的水体温度时停止调整，重新调整混水系统模块中的流量调节器，调小流量，准备下次实验。

本发明提供的一种改进雷诺实验仪，与传统雷诺实验仪相比较其有益效果在于：

利用水温的改变，调整水体运动黏性系数代替通过流量的改变调整圆管流速继而改变层流与湍流之间雷诺数的目的，有效的减少了水流扰动影响、提高了实验精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是雷诺实验仪结构单元图。

图2是总体水循环系统示意图。

图中：加热系统1、热蓄水保温箱2、制冷系统3、冷蓄水保温箱4、混水阀5、水温控制装置6、示踪剂存储箱7、示踪剂调节阀门8、示踪剂导流管9、整流箱10、透明保温玻璃管段11、流量调节器12、尾水水箱13、第一控制阀14、抽水泵15、分水阀16、循环管17、控制阀门18、灵敏温度计19、软管20、整流板21、水箱22、第四控制阀23、第三控制阀24。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1，一种新型雷诺实验仪，包括有水温调控系统、实验整流系统、实验演示系统及水体循环系统组成。特别是水温调控系统，用于改变实验水体温度达到调整雷诺数的目的；所述水温调控系统包括热水系统模块、冷水系统模块、水体混合系统模块组成。

其中，所述热水系统模块，包括加热系统1、热蓄水保温箱2，加热系统1与热蓄水保温箱2之间用塑料圆管内部连接，首先利用加热系统1对来水进行升温，然后存储到热蓄水保温箱2，保证足量稳定热水供应；所述冷水系统模块，包括制冷系统3、冷蓄水保温箱4，制冷系统3与冷蓄水保温箱4之间用塑料圆管内部连接，首先利用制冷系统3对来水进行降温，然后存储到冷蓄水保温箱4，实验不需要特殊制冷时，即演示雷诺数波动范围幅度较小时，可直接使用外界常温水。外界常温水系统水体通过塑料圆管分别流入加热系统1、制冷系统3；经加热系统1或制冷系统3未开启，分别流入热蓄水保温箱2、冷蓄水保温箱4。

进一步的，所述水体混合系统模块，由混水阀5、流量调节器12、抽水泵15和水温控制装置6组成。混水阀5通过循环管17连通热蓄水保温箱2和冷蓄水保温箱4，水温控制装置6用来设置混水阀汇流温度，将热水和冷水混合成所需水温；抽水泵15提供水压，流量调节器12控制水量。

此外，所述实验整流系统，由整流箱10、整流板21组成。整流箱10内部安置有两块平行立放的整流板21，平整水流提供稳定的恒定水流环境；特别注意整流箱10同上部流量调节器12之间使用软管20柔性连接，即保证实验整流演示系统独立稳定，整流箱10稳定性不受其它连接设备的震动干扰。

进一步的，所述实验演示系统，由示踪剂存储箱7、示踪剂导流管9、示踪剂调节阀门8、透明保温玻璃管段11及控制阀门18组成。示踪剂存储箱7、示踪剂导流管9安置在透明保温玻璃管段11上，透明保温玻璃管段11与整流箱10连接口出采取喇叭口状连接；透明保温玻璃管段11需要达到保温要求，便于实验现象观察同时，减少水体热量损失。

进一步的，所述水体循环系统，由尾水水箱13、灵敏温度计19、抽水泵15及分水阀16组成。尾水箱13与抽水泵15之间用循环管17连接，管路中间设置第一控制阀门14，抽水泵之后用循环管17连接至分水阀16，单个雷诺实验系统演示实验时，不存在整个实验室的外界热水循环系统，此时分水阀16一端用塑料管连接加热系统1，另一端连通的是水箱22，水箱22储存多余尾水；进行多个雷诺实验系统共同演示实验时，分水阀16一端用塑料管连接本台雷诺实验仪的加热系统1，另一端连通的是整个实验室的外界热水循环系统，外界热水循环系统直接用塑料圆管连通到下一台雷诺实验仪的加热系统1的进水管。水体循环系统中尾水箱13收集实验尾水，待尾水箱13内储水达到一定量时，开启分水阀16连通热水系统端，利用抽水泵15将尾水泵送至实验来水的热水循环系统中，利用加热系统1再次处理，完成热水循环，分水阀16另一端将多余尾水视单个还是多个实验系统连接分别处理。此外，尾水箱内设置一灵敏温度计19，对实验水流温度进行复核，实验温度取混水阀设置温度与尾水监测温度两者平均值。

实施例2：

如图1所示为本发明雷诺实验仪的结构单元图，该雷诺实验仪包括水温调控系统、实验整流系统、实验演示系统及水体循环系统。水温调控系统包括加热系统1、热蓄水保温箱2构成的热水系统模块；制冷系统3、冷蓄水保温箱4构成的冷水系统模块；混水阀5、流量调节器12、抽水泵15及水温控制装置6构成的水体混合系统模块。其中热蓄水、冷蓄水保温箱皆为尺寸100×60×80cm密封保温箱，混水阀为温度敏感的恒温混水阀。

实验整流系统包括整流箱10、整流板21；其中整流箱10采用100×30×60cm尺寸的钢化玻璃制成，整流箱中间隔30cm设置对立平行的整流板两块，整流板尺寸5×30×60cm，整流箱10与流量调节器12之间用直径30mm软管柔性连接。

实验演示系统由示踪剂存储箱7、示踪剂导流管9、示踪剂调节阀门8、透明保温玻璃管段11及控制阀门18组成；其中示踪剂存储箱单元7中为高锰酸钾示踪剂，示踪剂导流管9末端位于透明保温玻璃管段11中心线上，且距离整流箱10出口处20cm；整流箱10与透明保温玻璃管段11之间使用喇叭口状接口，透明保温玻璃管段11采用双层透明中空保温玻璃管，长度100cm、外径35mm、内径30mm。水体循环系统由尾水水箱13、第一控制阀门14、抽水泵15及分水阀16组成。

实施例3：

如图2所示，以总体水循环系统示意图演示本发明的雷诺实验仪实验流程。

第一步，打开进水口第四控制阀23和第三控制阀24，连通外界冷水系统与冷水系统模块、热水系统模块，使来水分别经加热系统1、制冷系统3储存在对应热蓄水保温箱、冷蓄水保温箱；

第二步，在混水系统模块中，调节水温控制装置6设置温度，利用混水阀将热蓄水、冷蓄水混合成恒温水，通过抽水泵15泵送至实验整流演示模块；实验模块中，经整流箱整流的特定温度水与示踪剂汇合，流经透明保温玻璃管段11，汇集于尾水箱13中；

第三步，待尾水箱存水一定时，开启抽水泵15，将尾水汇集模块的实验水泵送至热水系统模块中循环利用，若是多台雷诺实验仪共同演示，也可调整分水阀16，开启出口控制阀门25，分水进入水箱22。

第四步，实验第一阶段，雷诺数由低到高演示实验。控制混水系统模块中的流量调节器12调整流量，微开示踪剂阀门，可以看到管中的有色液体呈现一条细直流线，说明此流态为层流；逐渐缓慢开大流量调节器阀门，流量由小到大对应到雷诺数1800±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器12调节设置；开始逐步调整水温控制装置6的设置温度，可以观察到玻璃管内有色直线开始出现脉动，但流体质点还未达到相互交换程度，此时，即为流体流动状态开始转换的上临界状态，记下此刻实验温度，可以求解出水流从层流向紊流转化的实际雷诺数；继续缓慢调整水温控制装置6的设置温度，可以观察到有色直线完全紊乱，水体流态进入紊流阶段，继续调整水温控制装置6对应到雷诺数3000±200确定的水体温度时停止调整；重新调整混水系统模块中的流量调节器12，调大流量。

第五步，实验第二阶段，雷诺数由高到低演示实验。控制混水系统模块中的流量调节器12调整流量，流量由大到小对应到雷诺数3000±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器12调节设置；开始调整水温控制装置6的设置温度，观察到水流从紊流向层流转化的实验现象，记下此刻实验温度，可以求解出水流从紊流向层流转化的实际雷诺数；继续调整水温控制装置6的设置温度，试验玻璃管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流；对应到雷诺数1800±200计算出的水体温度时停止调整，重新调整混水系统模块中的流量调节器12，调小流量，准备下次实验。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种雷诺实验仪，其特征在于：它包括水温调控系统、实验整流系统、实验演示系统及水体循环系统；

所述水温调控系统由热水系统模块、冷水系统模块及水体混合系统模块组成，所述热水系统模块包括加热系统（1）和热蓄水保温箱（2），所述加热系统（1）与热蓄水保温箱（2）相连；所述冷水系统模块包括制冷系统（3）和冷蓄水保温箱（4），所述制冷系统（3）与冷蓄水保温箱（4）相连；所述水体混合系统模块包括混水阀（5），所述混水阀（5）出水管道上安装有抽水泵（15），抽水泵（15）之后安装有流量调节器（12），所述抽水泵（15）上安装有水温控制装置（6）；

所述实验整流系统包括整流箱（10），在整流箱（10）内部设置有多块整流板（21）；

所述实验演示系统包括示踪剂存储箱（7），所述示踪剂存储箱（7）的底部安装有示踪剂导流管（9），所述示踪剂导流管（9）上安装有示踪剂调节阀门（8），所述示踪剂导流管（9）的另一端连通在透明保温玻璃管段（11）上，在透明保温玻璃管段（11）上安装有控制阀门（18）；

所述水体循环系统包括尾水水箱（13），所述尾水水箱（13）位于透明保温玻璃管段（11）的末端正下方，在尾水水箱（13）内部设置有灵敏温度计（19），尾水水箱（13）的底部连通有循环管（17），所述循环管（17）上依次安装有第一控制阀（14）、抽水泵、分水阀（16）和第二控制阀（25），所述循环管（17）的出水端设置有水箱（22）。

2.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述混水阀（5）采用恒温混水阀，能够在小范围内自动维持设定的出水温度。

3.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述热蓄水保温箱（2）和冷蓄水保温箱（4）的外部包裹有保温材料。

4.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述整流箱（10）与流量调节器（12）之间使用软管（20）柔性连接；整流箱内设置两块平行直立整流板（21）。

5.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述透明保温玻璃管段单元（11）采用含隔温层透明玻璃管。

6.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述加热系统（1）的进水管上设置有第三控制阀（24）。

7.根据权利要求1所述的一种雷诺实验仪，其特征在于：所述制冷系统（3）的进水管上设置有第四控制阀（23）。

8.采用权利要求1-7任意一项所述雷诺实验仪的试验方法，其特征在于，它包括以下步骤：

第一步，打开进水口第四控制阀（23）和第三控制阀（24），连通外界冷水系统与冷水系统模块、热水系统模块，使来水分别经加热系统（1）、制冷系统（3）储存在对应热蓄水保温箱、冷蓄水保温箱；

第二步，在混水系统模块中，调节水温控制装置（6）设置温度，利用混水阀将热蓄水、冷蓄水混合成恒温水，通过抽水泵（15）泵送至实验整流演示模块；

第三步，实验模块中，经整流箱整流的特定温度水与示踪剂汇合，流经透明保温玻璃管段（11），汇集于尾水箱（13）中；待尾水箱存水一定时，开启抽水泵（15），将尾水汇集模块的实验水泵送至热水系统模块中循环利用，若是多台雷诺实验仪共同演示，也可调整分水阀（16），开启出口控制阀门（25），分水进入水箱（22）；

第四步，实验第一阶段，雷诺数由低到高演示实验；

第五步，实验第二阶段，雷诺数由高到低演示实验。

9.根据权利要求8所述雷诺实验仪的试验方法，其特征在于，雷诺数由低到高演示实验具体操作为，控制混水系统模块中的流量调节器（12）调整流量，微开示踪剂阀门，可以看到管中的有色液体呈现一条细直流线，说明此流态为层流；逐渐缓慢开大流量调节器阀门，流量由小到大对应到雷诺数1800±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器（12）调节设置；开始逐步调整水温控制装置（6）的设置温度，可以观察到玻璃管内有色直线开始出现脉动，但流体质点还未达到相互交换程度，此时，即为流体流动状态开始转换的上临界状态，记下此刻实验温度，可以求解出水流从层流向紊流转化的实际雷诺数；继续缓慢调整水温控制装置（6）的设置温度，可以观察到有色直线完全紊乱，水体流态进入紊流阶段，继续调整水温控制装置（6）对应到雷诺数3000±200确定的水体温度时停止调整；重新调整混水系统模块中的流量调节器（12），调大流量。

10.根据权利要求8所述雷诺实验仪的试验方法，其特征在于，雷诺数由高到低演示实验具体操作为，控制混水系统模块中的流量调节器（12）调整流量，流量由大到小对应到雷诺数3000±200确定的圆管流速时停止调整，保持当前流量调节器（12）调节设置；开始调整水温控制装置（6）的设置温度，观察到水流从紊流向层流转化的实验现象，记下此刻实验温度，可以求解出水流从紊流向层流转化的实际雷诺数；继续调整水温控制装置（6）的设置温度，试验玻璃管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流；对应到雷诺数1800±200计算出的水体温度时停止调整，重新调整混水系统模块中的流量调节器（12），调小流量，准备下次实验。