CN219608378U - 不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，属于管流流体力学物理模型实验中测量装置技术领域。所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型包括水流控制组件、试验管段组件和回水收集组件；所述的水流控制组件和回水收集组件相互连通，试验管段组件连接在水流控制组件和回水收集组件之间。本实用新型针对工程实际中常见的圆管流的工况，设计出该装置，能够对不同流态下相同流体的运动规律进行直观展现，并通过利用冲量方程获得全断面的流速分布模型。

Description

不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型

技术领域

本实用新型属于管流流体力学物理模型实验中测量装置技术领域，具体的说，涉及一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型。

背景技术

管流流速分布曲线和曲面是研究管流流量和流速分布规律的重要组成部分。工程中特别是圆管流的工况较为常见。根据牛顿内摩擦定律可知，在管壁具有一定糙率系数的任意断面形状管中，基于流体本身具有粘滞性，流体的流动在靠近管壁时会被一定厚度的黏质层阻碍，尽管该黏质层较薄，却直接导致流体流速在靠近管壁处变小。

目前，国内外在水利工程领域，解决各种不同断面形状明渠问题的研究成果较多，其中流速分布规律的理论公式推导、计算和模型试验方法研究流速流量的问题也相对成熟。但在管流问题的研究方面，由于流体的不同，导致流态展现出多样性，流速分布规律也呈现出不均匀性。同时，在影响流速分布规律的因素中，不同的流态也是主导因素，相同形状的断面管道中流动的流体，在恒定流，非恒定流，均匀流，非均匀流，层流和紊流中将会各不相同。在实验装置研究领域，鲜有能通过一台装置模拟不同的流态转换，并展现流态的变化对断面流速分规律的研究。如何通过一套装置，更加直观的获取相同流体不同流态下的断面流速分布规律，对于研究流体流动性质规律，计算流量和工业设计方面的意义重大，同时，不同流体在不同流态的管流断面中呈现的流速分布曲线曲面多种多样。

因此，有必要提供一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，能够研究流体的性质，与牛顿内摩擦定律和伯努利方程相互印证。

实用新型内容

为了克服背景技术中存在的问题，本实用新型提供一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，针对工程实际中常见的圆管流的工况，设计出该装置，能够对不同流态下相同流体的运动规律进行直观展现，并通过利用冲量方程获得全断面的流速分布模型。

为实现上述目的，本实用新型是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，包括水流控制组件、试验管段组件和回水收集组件；所述的水流控制组件和回水收集组件相互连通，试验管段组件连接在水流控制组件和回水收集组件之间。

所述的水流控制组件包括供水管、溢流槽、主试验槽、可滑动槽、固定底座、垂直向连接管、水平向连接管，溢流槽和主试验槽通过溢流板分隔布置，供水管连通回水收集组件和主试验槽，供水管上安装有供水管阀，主试验槽的侧面设置有主试验槽刻尺，主试验槽底部通过固定底座竖直安装有垂直向连接管，垂直向连接管的顶端通过直角管连接有水平向连接管。

所述的试验管段组件包括弹簧固定盘、能量转换器A、圆管、带可变径箍的升降支架，弹簧固定盘安装在水平向连接管的端部，圆管的一端安装在主试验槽侧壁上，另一端通过带可变径箍的升降支架支撑安装，弹簧固定盘和圆管之间通过能量转换器A连接。

所述的回水收集组件包括流量槽、回水槽、出水管和回水管，流量槽和回水槽通过溢流板分隔设置，流量槽侧面设置有流量槽刻尺，出水管连接在圆管和流量槽之间，出水管上安装有试验阀，回水管连通溢流槽和回水槽，回水槽内设置有小型潜水泵，小型潜水泵与供水管连接，溢流槽和主试验槽的位置高于流量槽和回水槽的布置位置，带可变径箍的升降支架支撑架设在流量槽上。

作为优选，所述的垂直向连接管和水平向连接管上均匀的设置有销孔，直角管上设置有相配合的销钉，主试验槽的侧面设置有可滑动槽，圆管的端部安装在可滑动槽上。

作为优选，所述的圆管分为等径圆管和变径圆管，等径圆管和变径圆管可替换的安装在可滑动槽和出水管之间。

作为优选，所述的能量转换器A包括弹簧护管、弹簧、气囊连接线、连接线护管、气囊，弹簧的一端固定在弹簧固定盘上，另一端通过气囊连接线与气囊相连，弹簧外侧设置有弹簧护管，气囊连接线外侧设置有连接线护管。

作为优选，所述的弹簧护管采用可拆卸锁扣固定在弹簧固定盘上气囊采用环保橡胶制作，其内部充注有与试验流体相同的流体。

作为优选，所述的出水管采用橡胶柔性软管。

作为优选，所述的水管阀采用球阀。

作为优选，所述的弹簧护管的设置位置为同心圆环形状，设置的圈数含圆心不少于3圈。

作为优选，所述的回水槽与流量槽之间的溢流板为可拆卸性的有机玻璃板材，与流量槽两侧壁的衔接采用榫接，榫槽处设置有防漏橡胶垫。

本实用新型的有益效果：

(1)整合性——通过控制阀门的开闭和组件的替换，将多种不同流态分别作用下，同种流体的断面流速分布的规律利用一台装置，单次试验直观展现；

(2)直观性——本发明的三大组件大都采用透明的有机玻璃制作，在进行模拟不同流态下，流速分布规律的试验中，能够清晰的观察到气囊在流体的推动下拉动弹簧运动的过程，并能直观的展现单位时间内的流量大小；

(3)灵活性——本发明可以灵活控制恒定流、非恒定流、均匀流、非均匀流、层流和紊流的快速切换；能够通过灵活的样本时间参数，对比多组试验的结果输出值；

(4)经济性——本发明能够实现仅更换一次流体，可以实现数次实验，期间不需要额外补充流体，节约能源；所采用的材料均为有机玻璃、PVC和橡胶类管材、阀门等，材料常见，购置方便，且价格低廉。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型弹簧固定盘的结构示意图；

图3是本实用新型能量转换器的结构示意图；

图4是本实用新型变径圆管的结构示意图；

图5是本实用新型垂直水平伸缩升降剖面图。

图中，1、流量槽；2、小型潜水泵；3、供水管；4、供水管阀；5、溢流槽；6、主试验槽；7、回水管；8a、等径圆管；8b、变径圆管；9、试验阀；10、带可变径箍的升降支架；11、出水管；12、主试验槽刻尺；13、可滑动槽；14、固定底座；15、垂直向连接管；16、水平向连接管；17、弹簧固定盘；18、弹簧护管；19、弹簧；20、气囊连接线；21、连接线护管；22、气囊；23、流量槽刻尺；24、回水槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图1-5所示，所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型包括水流控制组件、试验管段组件和回水收集组件；所述的水流控制组件和回水收集组件相互连通，试验管段组件连接在水流控制组件和回水收集组件之间。

所述的水流控制组件包括供水管3、溢流槽5、主试验槽6、可滑动槽13、固定底座14、垂直向连接管15、水平向连接管16，溢流槽5和主试验槽6通过溢流板分隔布置，溢流板顶端的高度低于主试验槽6上沿15cm，溢流板采用与主试验槽6一体的有机玻璃制作，并采用密封胶与主试验槽6槽体粘结牢固，供水管3采用PVC管材制作，连通回水收集组件和主试验槽6，供水管3上安装有供水管阀4，主试验槽6的侧面设置有主试验槽刻尺12，主试验槽6底部通过固定底座14竖直安装有垂直向连接管15，垂直向连接管15的顶端通过直角管连接有水平向连接管16。

所述的试验管段组件包括弹簧固定盘17、能量转换器A、圆管、带可变径箍的升降支架10，弹簧固定盘17安装在水平向连接管16的端部，圆管的一端安装在主试验槽6侧壁上，另一端通过带可变径箍的升降支架10支撑安装，弹簧固定盘17和圆管之间通过能量转换器A连接；弹簧固定盘17采用透明的亚克力板材制作，直径180mm，厚度10mm，等径圆管8a直径200mm，变径圆管8b与主试验槽6的连接端直径200mm，另一端100mm，均采用有机玻璃制作成型。

所述的回水收集组件包括流量槽1、回水槽24、出水管11和回水管7，流量槽1和回水槽24通过溢流板分隔设置，流量槽1侧面设置有流量槽刻尺23，流量槽刻尺23材质与主试验槽刻尺12相同，用于统计单位时间内试验流量的大小，出水管11连接在圆管和流量槽1之间，出水管11上安装有试验阀9，阀门类型为可控制流量大小的球阀，回水管7连通溢流槽5和回水槽24，回水槽24内设置有小型潜水泵2，小型潜水泵2与供水管3连接，溢流槽5和主试验槽6的位置高于流量槽1和回水槽24的布置位置，带可变径箍的升降支架10支撑架设在流量槽1上，带可变径箍的升降支架10用来配合试验管段的垂直方向移动，并可以实现试验中保持管段水平或者按照一定的坡度倾斜，当完成一次完整的试验或者流量槽1内的水即将溢出，不足以进行一次完整的试验时，应将溢流板拆卸下来，将水排入回水槽24内，从而进行新的试验。

将回水槽24内注入定量的试验流体，开启小型潜水泵2和供水管阀4，此时试验阀9处于关闭状态，当液体通过溢流板与回水管7流入回水槽内，形成稳定循环的状态时，检查等径圆管8a与主试验槽6的连接部位和与出水管11的连接部位，以及流量槽和回水槽间的溢流板的密封性，如有泄漏，修复后，确保严密性再进行试验。

所述的垂直向连接管15和水平向连接管16上均匀的设置有销孔，直角管上设置有相配合的销钉，主试验槽6的侧面设置有可滑动槽13，圆管的端部安装在可滑动槽13上，可滑动槽13为橡胶材质制作成的，可以实现试验管材与主试验槽6的连接，并能够上下移动，保证密封性。

所述的圆管分为等径圆管8a和变径圆管8b，等径圆管8a和变径圆管8b可替换的安装在可滑动槽13和出水管11之间，通过替换等径圆管8a和变径圆管8b实现均匀流和非均匀流的切换。

所述的能量转换器A包括弹簧护管18、弹簧19、气囊连接线20、连接线护管21、气囊22，弹簧19的一端固定在弹簧固定盘17上，另一端通过气囊连接线20与气囊22相连，弹簧19外侧设置有弹簧护管18，气囊连接线20外侧设置有连接线护管21；先将气囊22内充满与进行试验相同的流体，将气囊充满至直径约15mm—20mm左右，将气囊连接线20连接气囊，穿过连接线护管21和弹簧19相连，并置于弹簧护管18中。

所述的弹簧护管18采用可拆卸锁扣固定在弹簧固定盘17上气囊22采用环保橡胶制作，其内部充注有与试验流体相同的流体，弹簧护管18的设置位置为同心圆环形状，设置的圈数含圆心不少于3圈。

所述的出水管11采用橡胶柔性软管，水管阀4采用球阀，回水槽24与流量槽1之间的溢流板为可拆卸性的有机玻璃板材，与流量槽两侧壁的衔接采用榫接，榫槽处设置有防漏橡胶垫。

本实用新型的工作过程：

(1)模拟恒定均匀流层流和紊流流态：

将弹簧固定盘17连接能量转换器A置于等径圆管8a中，开启小型潜水泵2和供水管阀4，待流体循环稳定后，缓慢打开试验阀9，让试验管段充满流体，此时关闭试验阀并记录流量槽的刻度，同时，标记气囊的位置。

随后将试验阀9打开至最小状态，并用秒表开始计时。待气囊22在流体中移动稳定后，停止记录时间，并记录下气囊22的移动距离，而后关闭小型潜水泵2，结束试验。

紊流流态的实验步骤与层流基本相同。标记好气囊22初始位置后，将试验阀9的打开状态调整为最大状态，同步用秒表开始计时，此期间，气囊22的移动会呈现出无规律性抖动，待气囊22移动距离相对稳定后的瞬间，停止记录时间，并记录下气囊22的移动距离，同时用摄像机在等径圆管8a的正视方向记录气囊22的移动大致呈献出的断面形状，而后关闭小型潜水泵2结束试验。

整理数据，先将弹簧19的规格分别记录并计算其刚度系数，而后将气囊22的移动距离配合胡克定律F＝k·x计算出每个弹簧受力F的大小，分别编号做好记录；计算流量槽1内在统计时间内的流量大小Q，进而带入冲量方程F·t＝ρQ(V₂-V₁)求知瞬时速度V₁，由于每一个弹簧19的受力大小不一，所得到的每个弹簧19对应的流层的流速也是不同的。如此，就可以刻画出层流和紊流流速分布曲面。

通过配合垂直向连接管15和水平向连接管16变换等径圆管8a的高度，循环进行多次试验，观察输出结果的差异，并用伯努利方程计算管嘴出流的平均流速，使之相互校对。

(2)模拟非恒定均匀流层流和紊流流态；

将弹簧固定盘17连接能量转换器A置于等径圆管8a中，开启小型潜水泵2和供水管阀4，待流体循环稳定后，缓慢打开试验阀9，让试验管段充满流体，此时关闭试验阀9并记录流量槽的刻度，同时，标记气囊22的位置。

随后，需要同时操作供水管阀4关闭，试验阀9打开至最小状态，并用秒表开始计时。此期间，气囊22的移动会非常缓慢，每隔10s观察气囊22的移动并记录下气囊22的移动距离。由于此时供水管阀4的关闭，等径圆管8a中的流体会呈现非恒定流的状态，当主试验槽6内的流体液面降至等径圆管8a上10mm时候，结束试验。

同理，准备工作完成后，同时操作供水管阀4关闭，并用秒表开始计的同时，试验阀9打开至最大状态，每隔10s观察气囊的移动并记录下气囊22的移动距离。由于此时供水管阀4的关闭，等径圆管8a中的流体会呈现非恒定流的状态，当主试验槽6内的流体液面降至等径圆管8a上10mm时候，结束试验。

整理数据，先将弹簧19的规格分别记录并计算其刚度系数，而后将气囊22的移动距离配合胡克定律F＝k·x计算出每个弹簧受力F的大小，分别编号做好记录；计算流量槽1内在统计时间内的流量大小Q，进而带入冲量方程F·t＝ρQ(V₂-V₁)求知瞬时速度V₁，由于每一个弹簧19的受力大小不一，所得到的每个弹簧19对应的流层的流速也是不同的。如此，就可以刻画出层流和紊流流速分布曲面。

通过配合垂直向连接管15和水平向连接管16变换等径圆管8a的高度，循环进行多次试验，观察输出结果的差异，并用伯努利方程计算管嘴出流的平均流速，使之相互校对。

(3)模拟恒定非均匀流层流和紊流流态。

将弹簧固定盘17连接能量转换器A置于变径圆管8b中，开启小型潜水泵2和供水管阀4，待流体循环稳定后，缓慢打开试验阀9，让试验管段充满流体，此时关闭试验阀并记录流量槽的刻度，同时，标记气囊22的位置。

随后将试验阀9打开至最小状态，并用秒表开始计时。待气囊22在流体中移动稳定后，停止记录时间，并记录下气囊22的移动距离，同时记录流量槽1的刻度，而后关闭小型潜水泵2，结束试验。

通过调整水平向连接管16的位置，使得弹簧固定盘17连接能量转换器A在变径圆管8b中向流体运动方向移动100mm位置，重复上述步骤，循环进行多次恒定非均匀流层流试验，并用摄像机记录试验中气囊22的移动和气囊22侧面形成的曲面。

紊流流态的实验步骤为标记好气囊22初始位置后，将试验阀9的打开状态调整为最大状态，同步用秒表开始计时，此期间，气囊22的移动会呈现出无规律性抖动，待气囊22移动距离相对稳定后的瞬间，停止记录时间，并记录下气囊22的移动距离，同时用摄像机在变径圆管8b的正视方向记录气囊22的移动大致呈献出的断面形状，而后关闭小型潜水泵2结束试验。

通过调整水平向连接管16的位置，使得弹簧固定盘17连接能量转换器A在变径圆管8b中向流体运动方向移动100mm位置，重复上述步骤，循环进行多次恒定非均匀流紊流试验。

整理数据，先将弹簧的规格分别记录并分别计算其刚度系数，而后将气囊22的移动距离配合胡克定律F＝k·x计算出每个弹簧受力F的大小，分别编号做好记录；计算流量槽1内在统计时间内的流量大小Q，进而带入冲量方程F·t＝ρQ(V₂-V₁)求知瞬时速度V₁，由于每一个弹簧的受力大小不一，所得到的每个弹簧对应的流层的流速也是不同的。如此，就可以刻画出层流和紊流流速分布曲面。

通过配合垂直向连接管15和水平向连接管16变换变径圆管8b的高度，循环进行多次试验，观察输出结果的差异，并用伯努利方程计算管嘴出流的平均流速，使之相互校对。

最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：包括水流控制组件、试验管段组件和回水收集组件；所述的水流控制组件和回水收集组件相互连通，试验管段组件连接在水流控制组件和回水收集组件之间；

所述的水流控制组件包括供水管（3）、溢流槽（5）、主试验槽（6）、可滑动槽（13）、固定底座（14）、垂直向连接管（15）、水平向连接管（16），溢流槽（5）和主试验槽（6）通过溢流板分隔布置，供水管（3）连通回水收集组件和主试验槽（6），供水管（3）上安装有供水管阀（4），主试验槽（6）的侧面设置有主试验槽刻尺（12），主试验槽（6）底部通过固定底座（14）竖直安装有垂直向连接管（15），垂直向连接管（15）的顶端通过直角管连接有水平向连接管（16）；

所述的试验管段组件包括弹簧固定盘（17）、能量转换器（A）、圆管、带可变径箍的升降支架（10），弹簧固定盘（17）安装在水平向连接管（16）的端部，圆管的一端安装在主试验槽（6）侧壁上，另一端通过带可变径箍的升降支架（10）支撑安装，弹簧固定盘（17）和圆管之间通过能量转换器（A）连接；

所述的回水收集组件包括流量槽（1）、回水槽（24）、出水管（11）和回水管（7），流量槽（1）和回水槽（24）通过溢流板分隔设置，流量槽（1）侧面设置有流量槽刻尺（23），出水管（11）连接在圆管和流量槽（1）之间，出水管（11）上安装有试验阀（9），回水管（7）连通溢流槽（5）和回水槽（24），回水槽（24）内设置有小型潜水泵（2），小型潜水泵（2）与供水管（3）连接，溢流槽（5）和主试验槽（6）的位置高于流量槽（1）和回水槽（24）的布置位置，带可变径箍的升降支架（10）支撑架设在流量槽（1）上。

2.根据权利要求1所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的垂直向连接管（15）和水平向连接管（16）上均匀的设置有销孔，直角管上设置有相配合的销钉，主试验槽（6）的侧面设置有可滑动槽（13），圆管的端部安装在可滑动槽（13）上。

3.根据权利要求2所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的圆管分为等径圆管（8a）和变径圆管（8b），等径圆管（8a）和变径圆管（8b）可替换的安装在可滑动槽（13）和出水管（11）之间。

4.根据权利要求1、2或3任一项所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的能量转换器（A）包括弹簧护管（18）、弹簧（19）、气囊连接线（20）、连接线护管（21）、气囊（22），弹簧（19）的一端固定在弹簧固定盘（17）上，另一端通过气囊连接线（20）与气囊（22）相连，弹簧（19）外侧设置有弹簧护管（18），气囊连接线（20）外侧设置有连接线护管（21）。

5.根据权利要求4所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的弹簧护管（18）采用可拆卸锁扣固定在弹簧固定盘（17）上气囊（22）采用环保橡胶制作，其内部充注有与试验流体相同的流体。

6.根据权利要求1、2、3或5任一项所述的一种不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的出水管（11）采用橡胶柔性软管。

7.根据权利要求1、2、3或5任一项所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的水管阀（4）采用球阀。

8.根据权利要求4所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的弹簧护管（18）的设置位置为同心圆环形状，设置的圈数含圆心不少于3圈。

9.根据权利要求1、2、3、5或8任一项所述的不同流态下管流断面流速分布规律的试验物理模型，其特征在于：所述的回水槽（24）与流量槽（1）之间的溢流板为可拆卸性的有机玻璃板材，与流量槽两侧壁的衔接采用榫接，榫槽处设置有防漏橡胶垫。