CN110570732A - 一种高精度水力学管流实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度水力学管流实验台，水头水箱底部通过一根橡胶管与PVC管连通，水头水箱底部还通过另一根橡胶管和水泵与PVC管连接，PVC管还通过电磁流量计与塑料透明管相连；塑料透明管通过橡胶管与水头水箱连通，塑料透明管具有两个出水端，两端分别经过多个测压管连通至一个实验水箱，塑料透明管与测压管连通处设置普通阀门，塑料透明管与实验水箱连通处设置精密阀门，两个实验水箱之间连通；本发明集五种水力学管流实验于一体，实现了“一台多用”，节省设备占地面积；并通过精密阀门、温度监测系统等装置减小误差，提高实验精度，能够更加精确地以实验数据验证理论公式，帮助进行水力学研究。

Description

一种高精度水力学管流实验台

技术领域

本发明属于流体力学实验领域，具体地说涉及一种水力学管流实验台，将多项实验集于一体，并能以更高的精度验证理论公式，帮助进行水力学研究。

背景技术

水力学实验是高等院校、科研院所进行水力学研究时不可或缺的重要实践环节，能够帮助掌握理论知识。现有水力学实验装置，多为一台仪器对应一项实验，功能单一，故实验室中设备众多，占地面积较大；且实验设备较为简易，实验误差较大、精度较低，实验所测值难以与理论值相吻合，通过实验验证理论公式的效果不甚理想。因此，有必要设计一种多功能高精度实验装置，将多项所需条件相近的实验集中到一台设备中，节省占地面积；同时提高实验精度，更好地验证理论公式、进行水力学研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种集五种水力学管流实验于一体，并能提高实验精度的水力学实验台。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种高精度水力学管流实验台，包括一个水头水箱，水头水箱通过伸缩支座支撑于试验台上，水头水箱中设置有弧形溢流板，当水头水箱中水位上升后，会从弧形溢流板流下，保持水头水箱内水深不变；

水头水箱底部通过一根橡胶管与PVC管连通，水头水箱底部还通过另一根橡胶管和水泵与PVC管连接，PVC管还通过电磁流量计与塑料透明管相连；塑料透明管通过橡胶管与水头水箱连通，塑料透明管具有两个出水端，两端分别经过多个测压管连通至一个实验水箱，塑料透明管与测压管连通处设置普通阀门，塑料透明管与实验水箱连通处设置精密阀门，两个实验水箱之间连通；若干个测压管固定在固定板上，塑料透明管通过电磁流量计与PVC管连通；塑料透明管通过多个固定支座固定在实验台上；

塑料透明管上连接有多个温度传感器，多个温度传感器均与温度显示仪电连接。

当打开塑料透明管一个出水端的普通阀门与精密阀门，关闭另一出水端的普通阀门与精密阀门，通过观察各支测压管的液面高度，计算其液面高程差值，根据达西-魏斯巴赫公式：

其中h_f为沿程水头损失，λ为沿程水头损失系数，l为管道长度，d为管道直径，v为液体流速，g为重力加速度；

可求得沿程水头损失系数λ；

根据雷诺数计算公式：

其中R_e为液体雷诺数，ρ为液体密度，v为液体流速，d为管道直径，μ为液体粘滞系数；

可求得雷诺数R_e的值；

根据不同流量下λ与R_e的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成沿程水头损失实验；根据不同流量下h_f与v的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成雷诺实验。

当打开塑料透明管一个出水端的普通阀门与精密阀门，关闭另一出水端的普通阀门与精密阀门，其中透明塑料管在喉管处收缩，通过测量该部分收缩断面前后测压管的高差Δh，根据公式

其中K为流量计系数，D为收缩前管径，d为收缩后管径，g为重力加速度；

与

其中Q为流量，K为流量计系数，Δh为收缩断面前后测压管的高差；

可求得理论流量，并与实际流量对比分析，完成文丘里流量计实验。

根据喉管收缩断面及其前后的测压管液面高程，计算出其测压管水头；并根据流量与管径求得管道内流速，计算出其流速水头，根据公式

其中z₁、z₂为收缩断面前后高程，p₁、p₂为收缩断面前后压强，v₁、v₂为收缩断面前后流速，ρ为液体密度，g为重力加速度；

可验证能量方程，完成能量方程实验。

观察实验水箱流入、流出处的测压管液面高程，计算其水头损失数值，并结合流速，可求得局部水头损失系数；其中第一处实验水箱用于验证淹没出流系数；第二处实验水箱用于验证突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数公式，通过水箱面积与管道面积，并结合测压管液面高程，根据公式

其中ζ₁为突然扩大处的局部水头损失系数，ζ₂为突然缩小处的局部水头损失系数，A₁为突然扩大前管道截面积，A₂为突然扩大后管道截面积；

可求得突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数，对比分析实测值，完成局部水头损失实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明集雷诺实验、沿程水头损失实验、局部水头损失实验、能量方程实验、文丘里流量计实验等管流实验于一体，节约了实验设备占地面积，实现了“一台多用”；

2、本发明将外加管道供水与回水统一利用，节约资源，同时避免了现有设备需要人工加水的缺陷；

3、本发明水箱内水头可控，可根据需要调节成不同的设计水头，以满足不同实验要求；

4、本发明通过精密阀门控制，能够减小因操作带来的实验误差，对于层、紊流变化的流态控制更为精确；

5、本发明设有温度监测传感器，可通过对温度的监测来实时反馈流态情况，减小读数误差；

6、本发明通过电磁流量计读取流量数据，更为精确。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的前视图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明的左视图；

图5是本发明的右视图；

图6是本发明的水头控制系统示意图；

图7是本发明的精密阀门示意图；

附图标记说明：

11-水箱，12-弧形溢流板，13-支座，14-调节手柄；21-PVC管，22-橡胶管，23-供水阀门，24-排水阀门，25-水泵；31-透明塑料管，32-测压管，33-固定板，34-固定支座，35-水箱，36-精密阀门，37-电磁流量计，38-普通阀门；41-温度传感器，42-温度显示仪；51-大齿轮，52-小齿轮，53-旋转把手，54-启闭连接杆，55-阻水块；

箭头所示为水流方向。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

1、水头控制系统

如图2、图6所示，水头控制系统包括水头水箱11、弧形溢流板12、支座13和调节手柄14。水头水箱11中水位上升到一定高度后，会从弧形溢流板12流下，保持水头水箱11内水深不变；此时可通过旋转调节手柄14，以实现水头水箱11的升降，从而改变水头水箱11与实验管道的水位差，根据需要控制实验水头，满足不同的水头条件。

2、供水排水系统

如图2所示，供水排水系统包括PVC管21、橡胶管22、供水阀门23、排水阀门24和水泵25。PVC管21两端连接外部管道，其中一端连接供水管道，连接处设置有供水管道阀门23，另一端连接排水管道，连接处设有排水管道阀门24；

水头水箱底部通过橡胶管22连通至PVC管21上，此时PVC管接收水箱11内回水，水头水箱底部还通过橡胶管22和水泵25与PVC管连接，水泵25将PVC管内的供水及回水一同泵向水头水箱；PVC管还与实验观测系统的塑料透明管31相连，连接处设置有电磁流量计37，PVC管用于接收实验管道回水。

在进行实验时，关闭排水管道阀门24，打开供水管道阀门23，一段时间后PVC管内均充满水，此时可关小供水阀门23，使得整体流量控制在一定范围内，便于实验进行。且由于系统内部始终能够保证一定的水量，故不必担心水量损失而采取人工加水等措施，使实验操作更为便捷。

实验结束后可关闭水泵25，同时关闭供水阀门23，打开排水阀门24，排水管道将水排出。

3、实验观测系统

实验观测系统包括塑料透明管31、测压管32、固定板33、固定支座34、实验水箱35、精密阀门36、电磁流量计37和普通阀门38。

塑料透明管通过橡胶管与水头水箱连通，塑料透明管具有两个出水端，两端分别经过多个测压管连通至一个实验水箱，塑料透明管与测压管连通处设置普通阀门，塑料透明管与实验水箱连通处设置精密阀门，两个实验水箱之间连通；若干个测压管固定在固定板上，塑料透明管通过电磁流量计与PVC管连通；

塑料透明管通过多个固定支座固定在实验台上。

该系统可分为两条路径，共进行5种水力学管流实验。

如图2所示，该条路径可同时进行雷诺实验与沿程水头损失实验。实验时打开本条路径的普通阀门38与精密阀门36，关闭另一条路径的普通阀门38与精密阀门36。通过观察各支测压管32的液面高度，计算其液面高程差值，根据达西-魏斯巴赫公式

与雷诺数计算公式

可求得沿程水头损失系数λ、雷诺数R_e的值。根据不同流量下λ与R_e的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成沿程水头损失实验；根据不同流量下h_f与v的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成雷诺实验。

如图3、4、5所示，该条路径可同时进行局部水头损失实验、能量方程实验与文丘里流量计实验。实验时打开本条路径的普通阀门38与精密阀门36，关闭另一条路径的普通阀门38与精密阀门36。其中透明塑料管31在喉管处收缩，通过测量该部分收缩断面前后测压管32的高差Δh，根据公式

与

可求得理论流量，并与实际流量对比分析，完成文丘里流量计实验。

同时可根据喉管收缩断面及其前后的测压管32液面高程，计算出其测压管水头；并根据流量与管径求得管道内流速，计算出其流速水头，根据公式

可验证能量方程，完成能量方程实验。

两处实验水箱35均用于局部水头损失实验。通过观察实验水箱流入、流出处的测压管32液面高程，计算其水头损失数值，并结合流速，可求得局部水头损失系数。其中第一处水箱用于验证淹没出流系数；第二处水箱用于验证突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数公式，通过水箱面积与管道面积，并结合测压管32液面高程，根据公式

可求得突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数，对比分析实测值，完成局部水头损失实验。

4、温度监测系统

如图1所示，温度监测系统包括温度传感器41和温度显示仪42。多个温度传感器搭接于透明塑料管上，通过监测实时温度来精确反映流态变化。一般情况下，当阀门快速开大或关小时，水流会在层、紊流之间迅速过渡，引起液体内部细微的温度变化，若此时立即读数，会产生一定的误差，故可参照各个温度传感器41的温度值，待其均相等且不变时再进行读数，能够减小误差。

上述为本发明的四部分系统详述。以下对精密阀门36进行介绍。

如图7所示，精密阀门36由大齿轮51、小齿轮52、旋转把手53、启闭连接杆54、阻水块55组成。其中大齿轮51与小齿轮52相互啮合，均固定在一定的高度，且其半径之比为2:1，故可知两者线速度相等，角速度之比为1:2，即小齿轮52旋转2周可带动大齿轮51旋转1周。启闭连接杆54外刻有螺纹，上端与大齿轮51相连，下端内嵌于阻水块55内部，在自身旋转时，通过螺纹带动阻水块55的升降，从而完成阀门整体的启闭。使用时转动旋转把手53，大齿轮51、启闭连接杆54均以旋转把手53一半的角速度转动，而阻水块55升降的速度又小于启闭连接杆54转动的线速度，故能够精确掌握阀门启闭的状态，从而实现流量和流态的精密控制。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种高精度水力学管流实验台，其特征是：包括一个水头水箱，水头水箱通过伸缩支座支撑于试验台上，水头水箱中设置有弧形溢流板，当水头水箱中水位上升后，会从弧形溢流板流下，保持水头水箱内水深不变；

水头水箱底部通过一根橡胶管与PVC管连通，水头水箱底部还通过另一根橡胶管和水泵与PVC管连接，PVC管还通过电磁流量计与塑料透明管相连；塑料透明管通过橡胶管与水头水箱连通，塑料透明管具有两个出水端，两端分别经过多个测压管连通至一个实验水箱，塑料透明管与测压管连通处设置普通阀门，塑料透明管与实验水箱连通处设置精密阀门，两个实验水箱之间连通；若干个测压管固定在固定板上，塑料透明管通过电磁流量计与PVC管连通；塑料透明管通过多个固定支座固定在实验台上；

塑料透明管上连接有多个温度传感器，多个温度传感器均与温度显示仪电连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度水力学管流实验台，其特征是：打开塑料透明管一个出水端的普通阀门与精密阀门，关闭另一出水端的普通阀门与精密阀门，通过观察各支测压管的液面高度，计算其液面高程差值，根据达西-魏斯巴赫公式：

其中h_f为沿程水头损失，λ为沿程水头损失系数，l为管道长度，d为管道直径，v为液体流速，g为重力加速度；

可求得沿程水头损失系数λ；

根据雷诺数计算公式：

其中R_e为液体雷诺数，ρ为液体密度，v为液体流速，d为管道直径，μ为液体粘滞系数；

可求得雷诺数R_e的值；

根据不同流量下λ与R_e的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成沿程水头损失实验；根据不同流量下h_f与v的关系，将其在对数坐标系下绘制成图线并分析，可完成雷诺实验。

3.根据权利要求1所述的一种高精度水力学管流实验台，其特征是:打开塑料透明管一个出水端的普通阀门与精密阀门，关闭另一出水端的普通阀门与精密阀门，其中透明塑料管在喉管处收缩，通过测量该部分收缩断面前后测压管的高差Δh，根据公式

其中K为流量计系数，D为收缩前管径，d为收缩后管径，g为重力加速度；

与

其中Q为流量，K为流量计系数，Δh为收缩断面前后测压管的高差；

可求得理论流量，并与实际流量对比分析，完成文丘里流量计实验。

4.根据权利要求3所述的一种高精度水力学管流实验台，其特征是:根据喉管收缩断面及其前后的测压管液面高程，计算出其测压管水头；并根据流量与管径求得管道内流速，计算出其流速水头，根据公式

其中z₁、z₂为收缩断面前后高程，p₁、p₂为收缩断面前后压强，v₁、v₂为收缩断面前后流速，ρ为液体密度，g为重力加速度；

可验证能量方程，完成能量方程实验。

5.根据权利要求3所述的一种高精度水力学管流实验台，其特征是:观察实验水箱流入、流出处的测压管液面高程，计算其水头损失数值，并结合流速，可求得局部水头损失系数；其中第一处实验水箱用于验证淹没出流系数；第二处实验水箱用于验证突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数公式，通过水箱面积与管道面积，并结合测压管液面高程，根据公式

其中ζ₁为突然扩大处的局部水头损失系数，ζ₂为突然缩小处的局部水头损失系数，A₁为突然扩大前管道截面积，A₂为突然扩大后管道截面积；

可求得突然扩大与突然缩小处的局部水头损失系数，对比分析实测值，完成局部水头损失实验。