CN201117133Y - 多功能流体力学实验装置 - Google Patents

Abstract

多功能流体力学实验装置，在上部装有高位槽，高位槽的下部连接出水管和转子流量计，其后端连接有细测量管，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管。细测量管的后端连接有粗测量管，粗测量管的上面连接有毕托管和示踪剂导管。粗测量管的后端连接有细测量管和向下倾斜的测量管，细测量管的上面连接有毕托管，细测量管的后端连接有测量管回水管路，与位于装置下部的低位槽连接。毕托管安装在背板上，背板安装在装置支架上，毕托管的旁边带有标尺。低位槽与离心泵连接，离心泵与高位槽连接。本装置还包括电器控制和温度测量电路。本装置可将流体流动所涉及的雷诺、伯努利、流体阻力实验，流体连续性、流速流量的测量等集成在一套设备中。

Description

多功能流体力学实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种《化工原理》课程演示实验、验证实验和综合性设计型实验的装置，尤其涉及一种将流体流动状况及相关知识点真实全面地展示给实验操作者的多功能流体力学实验装置。

背景技术

《化工原理》课程主要研究化工单元操作的原理、关键设备及其基本设计计算和应用的一门课程，单元操作的内在规律可以归纳为“三传一反”，其中三传即“动量传递”，“热量传递”，“质量传递”；“一反”是指“化学反应”，而“热量传递”，“质量传递”，“化学反应”都是以“动量传递”为前提的，流体流动就是流体的“动量传递”，也就是说，没有流体流动，就不可能存在化工生产过程中的传热和传质。因此流体流动在化工单元操作中具有重要的地位。由于《化工原理》中流体流动一章涉及较多的概念及公式，为有利于初学者尽快系统掌握本章的知识体系，课程教学过程中设计了较多的演示实验、验证实验和综合性设计型实验，使得实验设备繁杂而功能却较为单一，这种实验设备的现状不仅加大了设备的投入、降低了设备的使用率，同时还将各知识点割裂开来，不利于学生的学习，也不利于我国目前高等教育实践教学环节的发展。为此，结合目前实验设备的现状和多年的教学实践，设计制作了“多功能流体力学实验装置”。将流体流动状况及相关知识点真实全面地展示给实验操作者，使学生易于理解和掌握流体力学中一些常用的基本概念和规律，以期收到较好的教学效果。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种将流体流动所涉及的众多实验项目集成在一套设备中，可以将流体流动状况及相关知识点真实全面地展示给实验操作者的多功能流体力学实验装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种多功能流体力学实验装置，包括：装置支架，其特征在于：装置支架的上部安装有高位槽，高位槽的下部连接出水管，出水管上连接有转子流量计，转子流量计的后端连接有细测量管，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有粗测量管，粗测量管的两端的壁面上开孔并连接有毕托管，粗测量管的中部的壁面上开孔并连接有示踪剂导管，示踪剂导管的下端带有毛细玻璃管，示踪剂导管的上面连接有示踪剂控制阀和示踪剂细口瓶；粗测量管的后端另连接有细测量管，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有向下倾斜的测量管，向下倾斜的测量管的后端另连接有细测量管和流量调节阀，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有测量管回水管路，测量管回水管路与位于装置下部的低位槽连接；上述的毕托管安装在背板上，背板安装在装置支架上，每支毕托管的旁边带有标尺；低位槽与离心泵入口管路连接，离心泵通过离心泵出口管路与高位槽连接；本装置还包括装置电器控制电路和温度测量电路，背板上安装有水温测量指示。

根据所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述的高位槽内垂直焊接有二个隔板，将槽分为左侧1/4、中部1/4与右侧2/4三部分，左侧为溢流槽，中部为进水槽，右侧为出水槽；左侧的隔板高度大于右侧的隔板，进水槽的顶部水平焊一个高位槽孔板，出水槽的顶部也水平焊一个高位槽孔板，溢流槽底部设置有溢流槽底部出水管，溢流槽底部出水管与低位槽连接，低位槽的中部设置有低位槽隔板。

根据所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述的离心泵带有离心泵出口回水管路，出口回水管路上设置有离心泵出口回水流量调节阀。

根据所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：装置设置有操作台面，操作台面与所述的背板固定连接；操作台面下装有所述的低位槽、离心泵、装置电器控制电路和温度测量电路，操作台面下带有装置箱门，装置的底部设置有脚轮。

本实用新型最大的优点是简单、直观、操作安全易行。本实用新型不仅能够将流体流动状况及相关知识点真实全面地展示给实验操作者，用仪器讲解，使学生易于理解和掌握流体力学中一些常用的基本概念和规律，同时还将本章涉及的多数实验，比如：雷诺实验、伯努利实验、流体阻力实验、流体连续性、流速流量的测量等集成在一套设备中，大大提高设备的利用率，降低了设备的投资，锻炼学生的综合实践能力，并通过本装置开展设计型实验的教学任务。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的侧视图。

图3为本实用新型的原理图。

图4为图3中的A部放大图。

图5为本实用新型中电器控制和温度测量原理图。

附图中：1、高位槽孔板；2、高位槽；3、隔板；4、转子流量计；5、离心泵出口管路；6、溢流槽底部出水管；7、细测量管；8、粗测量管；9、电源开关；10、低位槽；11、低位槽隔板；12、离心泵出口回水流量调节阀；13、离心泵；14、脚轮；15、测量管回水管路、16、装置箱门；17、流量调节阀；18、水温测量指示；19、向下倾斜的测量管；20、示踪剂导管；21、示踪剂控制阀；22示踪剂细口瓶；23、背板；24、标尺；25、毕托管；26、装置支架；27、操作台面；28、毛细玻璃管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明：

本实用新型如图1、图2、图3所示，包括：装置支架26(参见图2)，装置支架26的上部安装有高位槽2(参见图1)，高位槽2内垂直焊接有二个隔板3，将槽分为左侧1/4、中部1/4与右侧2/4三部分，左侧为溢流槽，中部为进水槽，右侧为出水槽；左侧的隔板高度大于右侧的隔板，进水槽的顶部水平焊一个高位槽孔板1，出水槽的顶部也水平焊一个高位槽孔板1，溢流槽底部设置有溢流槽底部出水管6，溢流槽底部出水管6与低位槽10连接，低位槽10的中部设置有低位槽隔板11。

高位槽2的出水槽的下部连接出水管，出水管上连接有转子流量计4，转子流量计4的后端连接有细测量管7，细测量管7的壁面上开孔并连接有两个毕托管25(已有技术)，毕托管的旁边带有标尺24。细测量管7的后端连接有粗测量管8，粗测量管8的两端的壁面上开孔并连接有毕托管25，粗测量管8的中部的壁面上开孔并连接有示踪剂导管20，示踪剂导管20的下端带有毛细玻璃管28(参见图4)，示踪剂导管20的上面连接有示踪剂控制阀21和示踪剂细口瓶22。

粗测量管8的后端连接有细测量管，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有向下倾斜的测量管19，向下倾斜的测量管19的后端连接有细测量管和流量调节阀17，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有测量管回水管路15，测量管回水管路15与位于装置下部的低位槽10连接。

上述的毕托管安装在背板23上，背板23安装在装置支架26上，每支毕托管的旁边带有标尺24。

低位槽10与离心泵13的入口管路连接，离心泵13通过离心泵出口管路5与高位槽2连接。本装置还包括装置电器控制电路和温度测量电路(见图5)，背板23上安装有水温测量指示18(见图1)。

离心泵13带有离心泵出口回水管路，出口回水管路上设置有离心泵出口回水流量调节阀12。

本装置设置有操作台面27(见图2)，操作台面27与所述的背板23固定连接。操作台面27下安装有所述的低位槽10(见图1)、离心泵(13)、装置电器控制电路和温度测量电路(见图5)，操作台面27下带有装置箱门16，装置的底部设置有脚轮14。

本实用新型的具体结构和制作方法：

本装置由高位槽，低位槽，离心泵，流量调节及测量，背板，毕托管，操作台面，温度测量系统，可移动脚轮与其他管路等几个主要部分组成。

高位槽采用厚度为1.0mm的不锈钢板制作，长宽高为40×25×50cm的敞口水箱。箱内垂直焊二隔板，将箱分为1/4，1/4与2/4三部分，前者为溢流槽，中部为进水槽，后者为出水槽；箱内顶部水平焊二层孔板，孔板采用厚度为1.0mm的不锈钢板制作，长宽为10×25cm及20×25cm，孔径为5mm均匀分布在板上，主要作用是梳流，减少流体稳定时间。当进水管流出的水超过孔板高度，水就从溢流槽底部出水管排入低位槽，出水槽下部出水管接有小流量转子流量计，用于出水流量测量。接管尺寸为标准1/4英寸，壁厚1.5mm不锈钢管。高位槽由角钢焊成的，支架支撑并与管路、背板和操作台面一体化设计，高位槽内设有液位高度标尺。

背板由厚度为1.0mm不锈钢板制作，由加强筋支承，与操作台面一体化设计，背板上安装有用于各测量点压力及动压头测量的毕托管，离地面223cm。

操作台面选用厚度为20mm高密度压合板制作，长宽为1.8×0.8m，台面下设置离心泵及附属管路、低位槽、控制电路、回水管路等，台面上开有通过相应管路的圆孔，并采用框架式结构设计，以利于设备安装、维护。

移动脚轮安装在台面框架底部，以便于设备移动。

离心泵出口管路、入口管路及连接高位槽溢流槽到低位槽的出水管均采用不锈钢管，尺寸为标准1/4英寸、壁厚1.5mm的不锈钢管，并在回流管路和高位槽入口管路上各安装一个手动流量调节阀，阀门采用1/4英寸铜质闸阀。

测量部分采用的是硬质透明的塑料管，测量塑料管部分又有两部分组成：一部分是内径5cm、壁厚2.5mm、长度100cm的硬质透明的塑料管，另一部分是内径2.5cm，壁厚1.5mm长度各30cm的硬质透明的塑料管，用异径管件相连。在水平放置的透明塑料管的上部垂直竖立了12支直径为1cm的毕托管(玻璃管，已有技术)，每支高度85cm，每支玻璃管旁有标尺，作静压力及冲压力测量用(压头测量)。测量管路上共设有六对毕托管用于压头的测量，每个测量点左侧毕托管用于静压头的测量，每个测量点右侧毕托管的下端联结毛细管，弯头方向正对着水流方向用于冲压头的测量。

在示踪剂导管玻璃管的上部连接一个示踪剂细口瓶，内盛蓝(红)墨水，玻璃管下端联结一毛细玻璃管，其弯头方向与水流方向一致，示踪剂由于重力作用由毛细玻璃管流出，以指示流体的流动型态，示踪剂流量由细口瓶下部的快开阀控制。

本实用新型的功能及测量原理：

1、验证流体静力学基本方程

静态液位测量原理均遵循流体静力学基本方程z₁+p₁/(ρg)＝z₂+p₂/(ρg)。当高位槽溢流管有水流出时，关闭回流管路上的流量调节阀17，就会发现第1～第10支(从左向右数，以下同)毕托管4～10的液位高相等，即为高位槽中水槽的液位高度，我们以水平管轴线作为基准水平面，则z₁＝z₂...＝z₁₀，依据流体静立学基本方程则得p₄＝p₅....＝p₁₀＝p，高位槽压力p＝p₀+ρgh，而p₀＝p_a＝1[大气压]，式中ρ，g均为常数，所以h₄＝h₅...＝h₁₀＝h(高位槽)。

2、稳定流动与不稳定流动

稳定流动：打开高位槽的进水管，并始终保证溢流管有水流出，此时打开出水阀，固定阀门开度观察转子流量计的流量指示，可见出水阀开启度不变，则流量、流速等物性参数也不随时间变化而变化，我们称此时的流动状态为稳定流动。

不稳定流动：关闭高位槽的进水管，打开出水阀，固定阀门开度，此时观察到随着时间的推移转子流量计的流量指示逐渐降低，即出水管流速愈来愈慢，最后流速为零，我们称此时的流动状态为不稳定流动。

3、流量与流速的测试

设转子流量计指示的体积流量为VS[m³/s]。

若流量用质量流量计算，则质量流量w_s＝V_sρ(ρ为水的密度)。

某一管截面上的平均流速为u＝V_S/A[m/s](A为与流动方向垂直的管道截面积m²)。

质量流速或质量通量以G表示，则G＝w_s/A＝V_sρ/A＝uρ。

4、静压能与冲压能的测定

流体稳定流动时，第1～12支毕托管插入水平塑料管的下缘，管口与水流方向平行，所以各毕托管显示的液位高度是以水柱表示的静压能，可以直接读取。从左向右数偶数编号的毕托管插入水平塑料管的毛细管口正对着水流方向，所以毕托管中显示的水位高度为局部流体动能u_r ²/2g与静压能p/ρg之和，称为冲压能。

5、连续性方程

连续性方程可表述为w_s＝u₁A₁ρ＝u₂A₂ρ，若流体密度ρ为常量可写为V_s＝u₁A₁＝u₂A₂或u₁(πd₁ ²)/4＝u₂(πd₂ ²)/4，得u₂/u₁＝(d₁/d₂)²，由此式，我们只要知道测量管的内径d₁、d₂和任意一管的流速，另一管的流速就可以计算出来。

6、雷诺实验的演示

在稳定流动状态下，把流量调节阀逐步开启，同时开启连接示踪剂导管的细口瓶下部的示踪剂控制阀，作为示踪剂的墨水就会在重力作用下发现从示踪剂导管下端毛细管中流出，若示踪剂轨迹为一条水平线(墨水线)，这说明此时管道中的水的流动型态为层流。当把示踪剂控制阀开大，示踪迹轨迹不再保持水平而是上下波动，随阀门开度的增大，波动加剧，说明此时管道中的水的流动型态为湍流，以上各种流动型态可以根据当时的系统参数即管径、流量、流体粘度、流体密度计算雷诺准数予以验证。

R_e＝duρ/μ

层流或滞流，Re≤2000

紊流或湍流，Re≥4000

过度状态，4000≥Re≥2000

7、直管摩擦阻力的测定

若测定水平直管上第1和第8二个测压点间的总阻力，根据柏努利方程：

z₁+p₁/(ρg)+u₁ ²/(2g)+He＝z₂+p₂/(ρg)+u₂ ²/2g+H_f

我们以管轴线为基准水平面，则Z₁＝Z₈＝0又因为d₁＝d₈，根据连续性方程V_s1＝V_s8＝uπd²/4，所以u₁＝u₈，无能量加入He＝0，上式化简为H_f＝(p₁-p₈)/(ρg)＝h₁-h₈＝Δp/(ρg)，即阻力的表现形式为压强降，又根据流体静力学方程p＝ρgh，所以H_f＝(p₁-p₈)/(ρg)＝h₁-h₈＝；Δh，即测定第2支毕托管的液位高度与第8支毕托管的液位高度，二者的差值就是毕托管第1～8支的总阻力。

8、局部阻力的测定

通过回流流量调节闸阀前后两各冲压能测定点间的差值可以得到以压头损失形式表示的闸阀的局部阻力损失，通过改变阀门的开度大小能够比较直观的观察局部阻力损失与阀门开度之间的关系。

9、直管摩擦系数λ与雷诺准数Re之间的关系

以水平粗管的阻力为例，如前所述

H_f，4～9＝λlu²/(d2g)＝(p₄-p₉)/(ρg)＝h₄-h₉＝Δh则得：λ＝2gdΔh/(lu²)。而Re＝du ρ/μ，而 $R_e=\frac{\mathrm{du\ρ}}{\mathrm{\μ}}$

定性温度t_m＝(t₁+t₂)/2(t₁，t₂为实验前、后水温)，将管路出口阀从小到大逐步开启，记录10组数据(Δh，u)，代入上式分别计算出10组的λ与Re，将其标绘在双对数坐标纸上，用直尺和曲线尺分别连接各点。

Claims (4)

1、一种多功能流体力学实验装置，包括：装置支架(26)，其特征在于：装置支架(26)的上部安装有高位槽(2)，高位槽(2)的下部连接出水管，出水管上连接有转子流量计(4)，转子流量计(4)的后端连接有细测量管(7)，细测量管(7)的壁面上开孔并连接有毕托管(25)，细测量管(7)的后端连接有粗测量管(8)，粗测量管(8)的两端的壁面上开孔并连接有毕托管(25)，粗测量管(8)的中部的壁面上开孔并连接有示踪剂导管(20)，示踪剂导管(20)的下端带有毛细玻璃管(28)，示踪剂导管(20)的上面连接有示踪剂控制阀(21)和示踪剂细口瓶(22)；粗测量管(8)的后端另连接有细测量管，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有向下倾斜的测量管(19)，向下倾斜的测量管(19)的后端另连接有细测量管和流量调节阀(17)，细测量管的壁面上开孔并连接有毕托管，细测量管的后端连接有测量管回水管路(15)，测量管回水管路(15)与位于装置下部的低位槽(10)连接；上述的毕托管安装在背板(23)上，背板(23)安装在装置支架(26)上，每支毕托管的旁边带有标尺(24)；低位槽(10)与离心泵(13)的入口管路连接，离心泵(13)通过离心泵出口管路(5)与高位槽(2)连接；本装置还包括装置电器控制电路和温度测量电路，背板(23)上安装有水温测量指示(18)。

2、根据权利要求1所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述的高位槽(2)内垂直焊接有二个隔板(3)，将槽分为左侧1/4、中部1/4与右侧2/4三部分，左侧为溢流槽，中部为进水槽，右侧为出水槽；左侧的隔板高度大于右侧的隔板，进水槽的顶部水平焊一个高位槽孔板(1)，出水槽的顶部也水平焊一个高位槽孔板(1)，溢流槽底部设置有溢流槽底部出水管(6)，溢流槽底部出水管(6)与低位槽(10)连接，低位槽(10)的中部设置有低位槽隔板(11)。

3、根据权利要求1所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：所述的离心泵(13)带有离心泵出口回水管路，出口回水管路上设置有离心泵出口回水流量调节阀(12)。

4、根据权利要求1所述的多功能流体力学实验装置，其特征在于：装置设置有操作台面(27)，操作台面(27)与所述的背板(23)固定连接；操作台面(27)下装有所述的低位槽(10)、离心泵(13)、装置电器控制电路和温度测量电路，操作台面(27)下带有装置箱门(16)，装置的底部设置有脚轮(14)。

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