CN111504602A - 一种重力式流体均匀流动实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种重力式流体均匀流动实验装置，该实验装置依靠液体水的重力，从高位水塔(1)经过流速控制系统进入矩形水槽(8)，在矩形水槽(8)内依次经历分布板(9)、一级分布构件(10)和二级分布构件(11)，使流体层层细分，在实验区(12)内，液体水流速大小、方向均一致；为保证实验区的均匀流动效果，之后流体依次经历二级对称分布构件(13)、一级对称分布构件(14)和对称分布板(15)，最后流入低位储槽(18)。该实验装置具有循环泵使用灵活，功率小、投资少的优势。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程、化工机械、流体力学等技术领域，特别是一种重力式流体均匀流动实验装置。
背景技术
高校、研究所、研发企业等某些时候会需要制造一种流体均匀流动的区域，这里的均匀流动，指的是流速大小相等，方向相同。将流体机械放置在均匀流动的水中，以测量这种机械在一定流速下的阻力、效率等数据。从流体力学角度来讲，流体在管内或明渠流动时，紧贴固体壁面为层流区，如果管道或明渠内流体流动雷诺数较大，流动则处于湍流范围内，流体各质点的流速特点为杂乱无章并有一定阶跃的流动，流动方向在某时刻不一定一致，大小更是不同。如果流体的流动速度较慢，雷诺数较小，流动处于层流范围内，此时，流体各质点的速度特点为紧贴固体壁面速度为零，离固体壁面的垂直距离越大，速度越大，各层流体之间有一定的速度梯度。这两种流动，不论层流还是湍流，在垂直流动方向的截面上，流体的流动方向大小不一，无法实现某流体机械特定流速的水动力学性能。
现阶段，某些高校、研究所陆续研发出一种循环水槽，通过放置均匀分布构件，用泵或者螺旋桨为流体提供动力，由于组件的阻力比较大，流体流经组件后压降较大，导致功率消耗量非常大，又由于实验截面一般较大，所以尽管耗能很大，获取的流速仍然较小。
本发明提出一种靠流体重力为流体提供流动能量，将流体的势能转换为动能，然后通过一系分布构件，获得流体的均匀流动的实验装置，实验装置具有耗能少，流速均匀流动稳定的特点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种流体均匀流动的实验装置，该实验装置依靠流体的重力，从水塔流入到实验区，再从实验区流出至储罐。该实验装置具有能耗低、使用灵活、流体均匀流动稳定的特点。
本发明技术方案如下：
一种重力式流体均匀流动实验装置，由高位水塔1、筒式支座2、塔底出口管3、控制阀门4、控制器5、流量计6、缓冲区7、矩形流动水槽8、分布板9、一级分布构件10、二级分布构件11、实验区12、二级对称分布构件13、一级对称分布构件14、对称分布板15、对称缓冲区16、流出管17、低位储槽18、循环泵19、循环管20、地脚螺栓21组成。液体水从高位水塔1依靠重力流出，经过塔底出口管3、控制阀门4和流量计6进入缓冲区7，缓冲区7内的水经过分布板9、一级分布构件10和二级分布构件11，使液体水层层细分，到达实验区12，实验区12的液体水再经过二级对称分布构件13、一级对称分布构件14和对称分布板15流入对称缓冲区16，对称缓冲区16的液体水经过流出管17流入到低位储槽18，循环泵19将流体在打入高位水塔1。
所述的高位水塔1，塔顶距离地面10～30米，由筒式支座2支撑，筒式支座2通过数十个地脚螺栓21与地面连接，高温水槽1和筒式支座2均为碳钢材质，连接方式为焊接。
所述的控制阀门4、控制器5、流量计6组成的系统，目的在于调节流量，使得流体在实验区12流动时，流速大小为稳定的某一流速值。当流量计6偏离设定值时，控制器5收到信号，并给控制阀门4提供开大或开小的信号，控制阀门4开大或开小，保证流量计6为设定值。
所述的矩形流动水槽8为一横截面为矩形、上端开口的水槽，该水槽长度方向尺寸一般远大于横截面尺寸，材质为透明有机玻璃。
所述的分布板9，为一组水平放置，两边分别与矩形流动水槽8粘合在一起的矩形板。分布板9的材质为有机玻璃，安装间距为5-20cm。
所述的一级分布构件10，为一组具有相同大小的正方形通道，并且具有一定长度的多孔部件，其正方形通道的边长比分布板9的间距小，范围为3-10cm，长度一般为20-100cm，一级分布构件10的材质为透明有机玻璃，由平板和长条形有机玻璃粘合制成。
所述的二级分布构件11，形状也为一组具有相同大小的正方形通道，并且具有一定长度的多孔部件，其长方形通道的边长比分布板9的间距小，同时也比一级分布构件10的通道边长小，范围为1-5cm，通道长度为20-100cm。
所述的实验区12，为放置测量器件的地方，该区域内，流体流速均匀分布，大小由控制器5自动控制控制阀门4确定。
所述的二级对称分布构件13，其形状、大小、材质确保和二级分布构件11完全相同，二级对称分布构件13和二级分布构件11的安装位置相对于实验区12对称。
所述的一级对称分布构件14，其形状、大小、材质确保和一级分布构件10完全相同，一级对称分布构件14和一级分布构件10的安装位置相对于实验区12对称。
所述的对称分布板15，其形状、大小、材质确保和分布板9完全相同，对称分布板15和分布板9的安装位置相对于实验区12对称。
所述的缓冲区7与对称缓冲区16内不放置内件，其形状、大小相同，所处位置相对于实验区12对称。
所示的低位储槽18，为放置在地面或地下的盛水装置，其容积大小与高位水塔相当，结构不限，可为矩形或圆柱形，材质碳钢材质。
本发明的创新之处在于，开发了一种依靠重力使流体由高位流向低温的实验装置，该实验装置通过控制器控制流量，确保实验时，实验区12内流体流速均匀、稳定，在短时实验时，高位水塔1内液体水能满足水量要求，可不开启循环泵19，而在非实验时间内，开启循环泵19将液体水从低位储槽送往高位水塔1，具有能耗低、操作灵活的特点。
本发明的创新之处还在于，所开发的一种重力式流体均匀流动实验装置，该装置矩形流动水槽8内所放置的构件相对于实验区12对称，并且流体流经分布板9、一级分布构件10和二级分布构件11三组构件时，液体水的流动总面积不变，但通道横截面积逐渐降低，达到细分、均布流体的作用。
本发明的创新之处还在于，所开发的一种重力式流体均匀流动实验装置，该装置由于高位水塔1和低位储槽18的储水功能，循环泵19相对于其他循环水槽所用的循环泵，功率可大大降低，可降低投资费用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实例的流程图
图2是本申请实例中分布板结构图
图3是本申请实例中一级分布构件图
图4是本申请实例中二级分布构件图
图1-图4中，1.高位水塔、2.筒式支座、3.塔底出口管、4.控制阀门、5.控制器、6.流量计、7.缓冲区、8.矩形流动水槽、9.分布板、10.一级分布构件、11.二级分布构件、12.实验区、13.二级对称分布构件、14.一级对称分布构件、15.对称分布板、16.对称缓冲区、17.流出管、18.低位水槽、19.循环泵、20.循环管、21.地脚螺栓。
具体实施方式
本发明提出了一种液体水依靠重力，从高位向低位流动，通过控制器实时控制流量大小，在液体水流经多级分布构件层层细分后，在实验区达到流动均匀一致的目的。实验装置中，安装在矩形流动水槽两侧的内构件形状、大小、材质完全相同，安装位置相对于实验区对称，这种安装方式进一步确保了液体水在实验区流动时，速度大小一致，分布均匀。
本发明提出的一种重力式流体均匀流动实验装置，由于高位水塔和低位储槽的储水功能，能够使得短时间实验室，循环泵不开启，或者开启时，可使用较小功率的循环泵。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1～图4所示，一种重力式流体均匀流动实验装置，包括高位水塔1、筒式支座2、塔底出口管3、控制阀门4、控制器5、流量计6、缓冲区7、矩形流动水槽8、分布板9、一级分布构件10、二级分布构件11、实验区12、二级对称分布构件13、一级对称分布构件14、对称分布板15、对称缓冲区16、流出管17、低位储槽18、循环泵19、循环管20、地脚螺栓21；液体水从高位水塔1流出后，经过由控制阀门4、流量计6和控制器5的控制，可达到液体水的流量为某一确定值进入缓冲区7，缓冲区7内流体经过分布板9、一级分布构件10和二级分布构件11的层层细化和流动均匀化处理，液体水在实验区内的速度大小相同，方向均匀一致；为确保实验区12内液体水为稳定的均匀流动，在实验区后面加设和实验区前面完全一样的内构件，包括二级对称分布构件13、一级对称分布构件14、对称分布板15和对称缓冲区16；液体水从缓冲区7流入到低位储槽18；循环水泵19在必要时开启。
其中，高位水塔1为钢制圆筒形容器，筒体支座2的形状为圆柱筒型，材质和高位水塔1相同，两者通过焊接连接在一起，筒式支座2通过数十个地脚螺栓21与地面连接。
其中，控制阀门4、流量计6和控制器5组成了自动控制流量系统，当控制器5接受到流量计6的流量偏离设定值时，控制器5为控制阀门4传送开大或开小的信号，从而确保实验时，流体流量恒等。
其中，缓冲区7与对称缓冲区16的容积、形状均相同，内部不设构件。
其中，矩形流动水槽8为透明有机玻璃头通过粘合结合在一起，其横截面为一矩形，长度尺寸远大于横截面尺寸。
其中，分布板9和对称分布板15两个组件完全相同，均为数个水平有机玻璃板，通过粘合矩形流动水槽8的内壁面结合在一起，板间距一般为5-20cm；分布板9和对称分布板15安装位置相对于实验区12对称。
其中，一级分布构件10和一级对称分布构件14，形状、尺寸、材质均相同，均为具有正方形通道的多孔部件，孔的边长比分布板9的板间距小，一般正方形边长为3-10cm，通道长度为20-100cm；一级分布构件10和一级对称分布构件14的和安装位置相对于实验区12对称，材质均为有机玻璃，由有机玻璃大平板与数十个长条形有机玻璃板粘结组成。
其中，二级分布构件11和二级对称分布构件13，形状、尺寸、材质均仙童，均为具有正方形通道的多孔部件，比一级分布构件10和一级对称分布构件14的通道截面积小，一般正方形通道的边长为1-5cm，通道长度为20-100cm。
其中，实验区12为放置测试器件的区域，液体水在该区域速度大小相等，方向一致。
其中，低位储槽18安放位置可在地面上，也可在地下，形状可为圆筒型也可为矩形；低位储槽18的容积与高位水塔1的容积相当。
其中，循环泵19功率较小，为将低位水槽18内的液体水送到高位水塔1内，可在实验时间内使用，也可在实验结束后使用。
具体实施效果1
高位水塔1充满液体水，低位储槽18内无液体水，开启控制阀门4和流量计6，设定控制器5的流量为125升/秒，8分钟后，矩形流动水槽8内的液位稳定在0.5m，采用流体测速仪对实验区12内20个位置进行测速发现，流体速度平均值为0.5m/s，流速的均方差不大于0.02，流体基本达到稳态，该状况下，循环泵19无开启。
具体实施效果2
高位水塔1内充满液体水，低位储槽18内无液体水，开启控制阀门4和流量计6，设定控制器5的流量为250升/秒，9分钟后，矩形流动水槽8内的液位稳定在0.5m，采用流体测速仪对实验区12内20个位置进行测速发现，流体速度平均值为1.0m/s，流速的均方差不大于0.02，流体基本达到稳态，该状况下，循环泵19在实验进行一段时间后开启。
具体实施效果3
高位水塔1内充满液体水，低位储槽18内无液体水，开启控制阀门4和流量计6，设定控制器5的流量为375升/秒，10分钟后，矩形流动水槽8内的液位稳定在0.5m，采用流体测速仪对实验区12内20个位置进行测速发现，流体速度平均值为1.5m/s，流速的均方差不大于0.025，流体基本达到稳态，该状况下，循环泵19始终开启。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种重力式流体均匀流动实验装置，由高位水塔(1)、筒式支座(2)、塔底出口管(3)、控制阀门(4)、控制器(5)、流量计(6)、缓冲区(7)、矩形流动水槽(8)、分布板(9)、一级分布构件(10)、二级分布构件(11)、实验区(12)、二级对称分布构件(13)、一级对称分布构件(14)、对称分布板(15)、对称缓冲区(16)、流出管(17)、低位储槽(18)、循环泵(19)、循环管(20)、地脚螺栓(21)组成；液体水从高位水塔(1)依靠重力流出，经过塔底出口管(3)、控制阀门(4)和流量计(6)进入缓冲区(7)，缓冲区(7)内的水经过分布板(9)、一级分布构件(10)和二级分布构件(11)，使液体水层层细分，到达实验区(12)，实验区(12)为测量器件放置的区域，实验区(12)的液体水再经过二级对称分布构件(13)、一级对称分布构件(14)和对称分布板(15)流入对称缓冲区(16)，对称缓冲区(16)的液体水经过流出管(17)流入到低位储槽(18)，循环泵(19)将流体在打入高位水塔(1)。
2.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，高位水塔(1)，塔顶距离地面10～30米，由筒式支座(2)支撑，筒式支座(2)通过数十个地脚螺栓(21)与地面连接，高温水槽(1)和筒式支座(2)均为碳钢材质，连接方式为焊接；控制阀门(4)、控制器(5)、流量计(6)组成的系统，目的在于调节流量，使得流体在实验区(12)流动时，流速大小为稳定的某一流速值。当流量计(6)偏离设定值时，控制器5收到信号，并给控制阀门(4)提供开大或开小的信号，控制阀门(4)开大或开小，保证流量计(6)为设定值。
3.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，矩形流动水槽(8)为一横截面为矩形、上端开口的水槽，该水槽长度方向尺寸一般远大于横截面尺寸，材质为透明有机玻璃；分布板(9)，为一组水平放置，两边分别与矩形流动水槽(8)粘合在一起的矩形板。分布板(9) 的材质为有机玻璃，安装间距为5-20cm。
4.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，分布板(9)和对称分布板(15)两个组件完全相同，均为数个水平有机玻璃板，通过粘合矩形流动水槽(8)的内壁面结合在一起，板间距一般为5-20cm；分布板(9)和对称分布板(15)安装位置相对于实验区(12)对称。
5.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，一级分布构件(10)和一级对称分布构件(14)，形状、尺寸、材质均相同，均为具有正方形通道的多孔部件，孔的边长比分布板(9)的板间距小，一般正方形边长为3-10cm，通道长度为20-100cm；一级分布构件(10)和一级对称分布构件(14)的和安装位置相对于实验区(12)对称，材质均为有机玻璃，由有机玻璃大平板与数十个长条形有机玻璃板粘结组成。
6.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，二级分布构件(11)和二级对称分布构件(13)，形状、尺寸、材质均仙童，均为具有正方形通道的多孔部件，比一级分布构件(10)和一级对称分布构件(14)的通道截面积小，一般正方形通道的边长为1-5cm，通道长度为20-100cm。
7.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，实验区(12)为放置测试器件的区域，液体水在该区域速度大小相等，方向一致；低位储槽(18)安放位置可在地面上，也可在地下，形状可为圆筒型也可为矩形；低位储槽(18)的容积与高位水塔1的容积相当。
8.根据权利要求1所述的一种重力式流体均匀流动实验装置，其特征在于，循环泵(19)功率较小，为将低位水槽(18)内的液体水送到高位水塔(1)内，可在实验时间内使用，也可在实验结束后使用。
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Non-Patent Citations (1)
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