CN107808573B - 一种多用途的流体力学实验装置平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途的流体力学实验装置平台，通过设计“一箱多用”的专用水箱，实现有效的水箱分区功能，满足为同时进行的多个实验分别提供作用水头的目的。供液系统包括储水罐、泵及管路，且储水罐被泵出口管路的并联结构分隔为多个实验能量提供区。另外，可根据实验需要，通过控制阀门从而只使用并联管路的某一分支，只为某个实验供液。本发明克服了传统流体力学实验装置安置过程中占地面积大、空间利用率低等缺点，具有结构简单、动力设备少、节约材料成本、操作方便灵活等优点。

Description

一种多用途的流体力学实验装置平台

技术领域

本发明涉及力学教学仪器领域，具体涉及一种多用途的流体力学实验装置平台。

背景技术

《工程流体力学》系列课程是众多工科专业的核心专业基础课，其核心的教学内容要求学生掌握该课程的思维方法、理论体系及重要的知识点。由于该课程的理论性强、学习难度大，为了让学生更好地掌握相应的知识点，重要的内容都辅以相应的演示实验，如静力学实验、毕托管实验、雷诺实验、能量方程实验、文丘里实验等。从不同高校在教学过程中对实验装置的使用情况看，这种演示实验应用广泛，对教学效果起到了积极推动的作用。

目前国内外流体力学课堂教学演示实验装置从原理、大小、作用等各个角度上可以区分出无数种类型，如浙江大学所开发的水力学实验装置就是其中的典型代表。但从现有的各类流体力学演示实验装置的组成上看，大多具有共同的组成部分，主要包括：实验台、储水箱、泵、有机玻璃水箱、有机玻璃管路、实验段(如收缩管、弯管等)、测压管等，将上述部分有机组合在一起即可实现相应的流体力学基本原理演示功能。

从发展历史和使用情况看，上述流体力学演示实验装置已经非常成熟。不过在使用过程中，发现仍然许多地方有改进的空间。如一般情况下一个实验台上只放置实现单个流体力学知识点演示的实验设备，也就是说每个实验都需要一个实验台和一套泵及储水罐。对一个以某工科型为主的大学为例，需要的流体力学演示实验的台套数可多达50台，加上材料准备等空间，占地面积接近300㎡，造成了教学场地等资源的浪费。即使有的装置集成了多个实验，但无法同时开展。另一方面，由于不同演示实验难度的不同，学生在不同实验台上操作时间差别较大，造成难度较小的实验闲置时间更多，泵、桌台等设备利用率低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种多用途的流体力学实验装置平台，能够充分利用实验室空间、提高装置利用效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多用途的流体力学实验装置平台，包括实验台、储水罐、水箱和实验段；

所述实验台包括中间部分以及由中间部分向外延伸的若干实验段放置部分，每个实验段放置部分上均设有实验段；

所述水箱设在所述中间部分上，通过隔板分为内侧空间和外侧空间；所述外侧空间包括进液区，所述进液区的两侧分别通过整流孔板连通于一液体循环能量提供区；所述进液区连通于所述储水罐并由所述储水罐供水，所述液体循环能量提供区通过循环管路连通于所述实验段；所述隔板的高度低于外侧空间的高度，所述内侧空间的底部设有下水孔连通下水管路，所述下水管路连通于所述储水罐；

每个实验段放置部分的末端均设置有回水水箱，所述回水水箱通过回水管路连通于所述储水罐。

进一步地，所述储水罐的侧面靠近底部的位置设有出口孔；所述出口孔连通于离心泵的进口管线；所述进液区的底部设有连通于所述离心泵的出口管线的上水孔。

进一步地，所述储水罐为圆形钢罐，其高度小于所述实验台的高度，并设于所述中间部分的下方。

进一步地，所述水箱设有多个进液区，每个液体循环能量提供区分别通过循环管道连通于一实验段；每个进液区分别通过带阀门的分支管路连通于所述储水罐。

进一步地，所述中间部分设有与所述上水孔和下水孔位置对应的上水连通孔和下水连通孔。

进一步地，所述水箱和循环管道均采用有机玻璃制成。

进一步地，所述中间部分和实验段放置部分底部均设置有立柱。

利用上述多用途的流体力学实验装置平台进行流体力学实验，包括步骤如下：

S1储水罐的液体引入使得进液区，进液区内的液体通过整流孔板流入液体循环能量提供区；进液区内液位高于所述隔板的液体流入内侧空间中，并通过下水孔流入下水管路，回到储水罐中；

S2液体循环能量提供区中的液体通过循环管道进入实验段，流经实验段后的液体排出至回水水箱，回水水箱的液体进一步通过回水管道回流至储水罐中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、提供了一种多用途、节约占地面积的流体力学实验平台，通过共用水箱、动力系统和实验台的设计，在同一实验平台上集成多个实验项目并能在实验过程中同时进行，克服了传统流体力学实验装置安置过程中占地面积大、空间利用率低等缺点。

2、专门设计的水箱实现了“一箱多用”，通过有效的水箱分区实现为同时进行的多个实验分别提供作用水头的功能，充分利用了设备并节约了材料成本。

3、设置了与平台对应的主要由储水罐、回水管路、下水管路和离心泵组成的供液系统，通过离心泵的出口管线的并联结构将储水罐液体分别引入水箱的多个进液区中，进而进入相连的多个液体循环能量提供区，可以通过控制阀门实现只使用并联管路的某一分支，只为某个实验供液。本发明的供液系统结构简单，动力设备少，操作方便灵活。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图；

图2为本发明实施例的实验台结构示意图；

图3为本发明实施例的水箱结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1-3所示，多用途的流体力学实验装置平台，包括实验台1、储水罐2、离心泵3、有机玻璃水箱4、有机玻璃循环管路5、实验段6、回水管路7组成。实验段中的实验类型可分别为文丘里实验、雷诺实验、毕托管实验、动量方程实验、能量方程实验等。

如图2所示，所述实验台1分为中间部分11和由中间部分11向外延伸的实验段放置部分12(在本实施例中呈矩形)。中间部分11开设有上水通孔111和下水通孔112，分别用于与有机玻璃水箱4的上水孔和下水孔连通。中间部分11的大小稍大于有机玻璃水箱4。实验段放置部分12的长度满足流体力学演示实验中有机玻璃管系和不同类型实验的实验段放置要求。在本实施例中，从中间部分向外延伸有四个实验段放置部分12，每个实验段放置部分12设置一个实验段6。

所述中间部分11可以与实验段放置部分12一体化制作，也可拼接而成，两者底部设置立柱13支撑。

所述中心部分11放置所述有机玻璃水箱4，所述有机玻璃水箱4通过隔板42分隔为内侧空间41和外侧空间。外侧空间分为进液区43和液体循环能量提供区44，两者之间以整流孔板45相连通。进液区43由储水罐2供水保持一定的水位高度，并通过整流孔板45将水流输送至液体循环能量提供区。所述液体循环能量提供区的外壁开孔将液体引入有机玻璃循环管路5并进一步进入实验段6，从而起到提供水流在实验管路中流动所需水头的功能。

在本实施例中，所述有机玻璃水箱4设有两个进液区43，每个进液区43的两侧分别设有一液体循环能量44提供区并通过整流孔板45与之相连通。相邻的液体循环能量提供区44采用隔板46相隔。

所述隔板42的高度略低于有机玻璃水箱4的外侧空间的高度，所述内侧空间的底部设置下水孔连通于下水管路8，有机玻璃水箱4的外侧空间中高于工作水头的水引入内侧空间中，进而重新排入储水罐2，从而保证了经过整流孔板进入液体循环能量提供区后水位的恒定，实现实验装置中恒定流的要求。

储水罐2为圆形钢罐，高度小于实验台1高度，放置于所述中间部分11的下方，其侧面靠近底部设置出口孔。离心泵3被安放在储水罐2的侧壁，其进口管线31连接储水罐2出口孔，而出口管线32则穿过实验台引入所述进液区43。

在本实施例中，所述实验台能同时满足四组不同实验的开展(具有四个实验段和四个液体循环能量提供区)，因此每个进液区43分别通过出口管线32的一支带阀门的分支管线引入液体。

经过实验段6的水流排入所在实验段放置部分末端的回水水箱9中，回水水箱9的水经过回水管路7回流到储水罐2，从而实现整个过程的循环。

工作流程为：首先通过离心泵将储水罐的液体通过分支管路分别抽入有机玻璃水箱的进液区中，进液区经过整流孔板分别向两侧流入液体循环能量提供区，进液区中多余的液体则排入有机玻璃水箱的内侧空间后自下水管路返回储水罐。四个液体循环能量提供区外壁底部开孔引出液体流入循环管路并流经实验段。液体流经实验段后排出至回水水箱，进一步经过回水管路返回储水罐开展新的循环。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多用途的流体力学实验装置平台，其特征在于，包括实验台、储水罐、水箱和实验段；

所述实验台包括中间部分以及由中间部分向外延伸的若干实验段放置部分，每个实验段放置部分上均设有实验段；

所述水箱设在所述中间部分上，通过隔板分为内侧空间和外侧空间；所述外侧空间包括进液区，所述进液区的两侧分别通过整流孔板连通于一液体循环能量提供区；所述进液区连通于所述储水罐并由所述储水罐供水，所述液体循环能量提供区通过循环管路连通于所述实验段；所述隔板的高度低于外侧空间的高度，所述内侧空间的底部设有下水孔连通下水管路，所述下水管路连通于所述储水罐；

每个实验段放置部分的末端均设置有回水水箱，所述回水水箱通过回水管路连通于所述储水罐；

所述水箱设有多个进液区，每个液体循环能量提供区分别通过循环管道连通于一实验段；每个进液区分别通过带阀门的分支管路连通于所述储水罐；

所述储水罐的侧面靠近底部的位置设有出口孔；所述出口孔连通于离心泵的进口管线；所述进液区的底部设有连通于所述离心泵的出口管线的上水孔。

2.根据权利要求1所述的多用途的流体力学实验装置平台，其特征在于，所述储水罐为圆形钢罐，其高度小于所述实验台的高度，并设于所述中间部分的下方。

3.根据权利要求1所述的多用途的流体力学实验装置平台，其特征在于，所述中间部分设有与所述上水孔和下水孔位置对应的上水连通孔和下水连通孔。

4.根据权利要求1所述的多用途的流体力学实验装置平台，其特征在于，所述水箱和循环管道均采用有机玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的多用途的流体力学实验装置平台，其特征在于，所述中间部分和实验段放置部分底部均设置有立柱。

6.利用权利要求1-5任一所述的多用途的流体力学实验装置平台进行流体力学实验的方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1储水罐的液体引入使得进液区，进液区内的液体通过整流孔板流入液体循环能量提供区；进液区内液位高于所述隔板的液体流入内侧空间中，并通过下水孔流入下水管路，回到储水罐中；

S2液体循环能量提供区中的液体通过循环管道进入实验段，流经实验段后的液体排出至回水水箱，回水水箱的液体进一步通过回水管道回流至储水罐中。