CN2793847Y - 高水头小型流体力学多功能实验仪 - Google Patents

Abstract

高水头小型流体力学多功能实验仪，属水力学及流体力学教学实验仪器技术领域。为了改造已有实验仪，增加实验项目及实验内容，既实现小型化又能达到大型设备所具有的实验效果，与工程实际相接近，本实用新型提出了一种高水头小型流体力学多功能实验仪，它是一个自循环恒定管道流系统，包括水箱、水泵、内部设有稳水栅的稳压箱、压力表、调压阀、四条实验管路、比压计和位于水箱上方的由分流箱、量水箱和泄流箱组成的流量量测装置；水箱通过水泵与稳压箱连通，稳压箱通过调压阀和水箱连通，用来控制稳压箱中的压力；四条实验管路两端分别与稳压箱和流量量测装置连通，比压计顶部的连通管分别隔开，比压计的测压管分别与四条实验管路上的测压孔连接。

Description

高水头小型流体力学多功能实验仪

技术领域

本实用新型涉及一种教学用高水头小型流体力学多功能实验仪，属水力学及流体力学教学实验仪器技术领域。

背景技术

目前，在我国部分高校和中等专业学校中使用的这三种实验仪器有两种形式。其一，是一些老式的大型实验设备，基本结构如图1所示。主要由地下水库21、水泵22、上水管23、高平水塔24、溢流管25、及实验管路27等组成自循环系统，用三角堰箱28量测流量，用比压计26量测压差。此实验设备所得到的实验结果与工程实际比较接近，反映了水力学和流体力的基本规律，与理论值相符。但是它需要占用很大的场地与空间，造价很高，并且操作比较复杂，需要专门技术人员进行操作，不利于实验室开放。其二，近年来清华大学、河海大学和浙江大学又研制了一些小型实验仪器，其基本结构如图2所示。主要由水箱31、水泵32、溢流水箱33、局部阻力(突扩)实验段34和量水箱36组成自循环系统，用比压计35量测压差。图2所表示的是小型自循环实验设备，省空间，操作简单。但是作用水头很小，只有50-60厘米高，因此试验结果有一定的局限性，试验区域很小，例如局部水头损失实验，测定出的局部水头损失系数并不是一个常数，这与工程实际不太相符。还有沿程水头损失实验，雷诺数Re只到9900，这与大型实验设备的实验结果也是无法相比的。

实用新型内容

为了改造已有实验仪的结构及量测手段，增加实验项目及实验内容，既实现小型化又能达到大型设备所具有的实验效果，与工程实际相接近，提高实验区域范围，本实用新型提出了一种高水头小型流体力学多功能实验仪，其特征在于：

所述实验仪是一个自循环恒定管道流系统，包括水箱、水泵、内部设有稳水栅的稳压箱、压力表、调压阀、四条实验管路、比压计和位于水箱上方的流量量测装置；

所述水箱通过所述水泵与所述稳压箱连通，所述稳压箱顶部安装所述压力表，所述稳压箱通过调压阀和水箱连通，用来控制稳压箱中的压力；

所述四条实验管路分别为文透里管、沿程水头损失粗管、局部水头损失突扩管和沿程水头损失细管，四管并联，两端分别与稳压箱和流量量测装置连通；所述各实验管路的下游设有下游阀门来控制各实验管路的流量，在所述水泵的输出管路上设有来流流量调节阀，保证来流条件稳定；

所述流量量测装置由位于上方的可滑动的分流箱和位于下方的量水箱和泄流箱组成，所述量水箱下部通过放空阀与水箱连通，所述泄流箱直接与所述水箱连通；

所述比压计顶部的连通管分别隔开，所述比压计的测压管分别与所述四条实验管路上的测压孔连接。

本实用新型实验仪具有高水头、大流量、自循环、水头恒定、多功能、小型化、省空间、造价低、结构合理和新颖、外形美观、可移动及操作方便等特点。可作为大专院校及中等专业学校学习水力学和流体力学的教学实验仪器，有助于培养学生创新能力和动手能力及解决工程实际问题的能力，也有助于实验室开放，提高实验教学水平。

附图说明

图1为现有的大型实验设备沿程水头损失实验装置的示意图。

图2为现有小型实验设备局部水头损失实验装置的示意图。

图3为本实用新型所述的高水头小型流体力学多功能实验仪的结构布置图。

图4为沿程水头损失h_f与流速v的关系曲线图。

图5为沿程水头损失系数λ与雷诺数Re的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本实用新型。

本实用新型所述的高水头小型流体力学多功能实验仪集文透里实验与能量转换、局部水头损失实验(多点法)和沿程水头损失实验三种实验于一身，如图3所示，所述实验仪是一个自循环恒定管道流系统，包括水箱1、水泵2、内部设有稳水栅6的稳压箱4、压力表5、调压阀7、四条实验管路、比压计8和位于水箱上方的流量量测装置。

水箱1的底面积尽可能大，以保证测流量时水箱水位变幅很小。

水箱1通过水泵2与稳压箱4连通。稳压箱用以保证高水头恒定供水，稳压箱顶部安装压力表5，并通过调压阀7和水箱1连通，用来控制稳压箱中的压力。稳箱内设有稳水栅6，使其水流稳定。使用时调节调压阀7，使压力表5读数为所需要的值，水泵2将水箱1中的水泵到稳压箱4中，水流在稳压箱4中经过稳水栅6，按图中箭头方向流向，这样保证了水流稳定，水头(压力)恒定；

实验管路分别为文透里管10、沿程水头损失粗管11、局部水头损失突扩管12和沿程水头损失细管13，四管并联，两端分别与稳压箱4和流量量测装置连通；各实验管路的下游设有下游阀门14来控制各实验管路的流量，在水泵2的输出管路上设有来流流量调节阀3，保证来流条件稳定。

文透里管和局部水头损失突扩管均采用有机玻璃管和新型材料PVC管。文透里管的实验可进行文透里流量计率定和观察能量转换。局部水头损失突扩管的实验，用多点法即通过多根测压管液面，观察沿程压力从细管到粗管变化情况，从而加深对局部阻力的产生、能量的损失与转换、漩涡区的长度、水流的流动结构以及能量方程的断面选择的理解，并测定局部水头损失系数ζ。沿程水头损失粗管和细管均采用不锈钢管。在沿程水头损失粗管和细管的实验中，流态做到从层流到紊流，紊流可达到光滑区和过渡区，雷诺数Re比已有小型设备提高7倍。

比压计8顶部的连通管分别隔开，形成四个分比压计。四个分比压计分别设有排气阀9，用来排除实验管路的气体和调节比压计初始液面的高度。比压计8的有效量程为0-160厘米，可分别对四条实验管路进行压力量测。四条实验管路的测压孔a、b、c…u、v与比压计8相应的测压管用塑胶管相连，为避免结构布置图过于复杂，图中塑胶管部分未标出。

流量量测装置由位于上方的可滑动的分流箱15和位于下方的量水箱16和泄流箱17组成，量水箱下部通过放空阀18与水箱1连通，泄流箱17直接与水箱1连通。测流量时将分流箱15推到量水箱16上部位置，否则放到泄水箱17上部的位置。

在本实用新型中，自循环恒定管道流系统通过水泵、水箱、稳压箱和调压阀实现高水头大流量，水头高达10米，流量为0-1570cm³/s。解决了小型实验仪器设备水头只有50-60厘米的不足，并达到了实验室由地下水库、高平水塔和管道所组成的循环系统的效果。因此，既实现了小型化又达到了实验室原有大型设备所具有的功能，大大提高了试验区域范围。

如局部水头损失突然放大实验，当Re较小时，局部水头损失系数ζ随雷诺数Re而变，即ζ＝f(Re)，但当雷诺数大到一定数值后，流体进入阻力平方区，ζ值不再随Re而变化，ζ值为常数，在工程中使用的或经验公式中列出的ζ值就是这个范围的数值。背景技术中描述的清华大学水力学实验室、河海大学和浙江大学现有的小型设备水头只有50-60厘米，雷诺数最大时Re＝14400，雷诺数较小，所以局部水头损失系数ζ是随Re变化的。而本实验仪雷诺数最大时Re＝96000，ζ基本为常数，雷诺数与现有的小型设备相比增加了6.7倍，实验结果更接近工程实际。

再如使用沿程水头损失粗管和细管的沿程水头损失实验结果如图4、图5所示。图中横、纵坐标均为对数坐标。本实验仪能够做出流动型态从层流到紊流，紊流可达到了光滑区和过渡区。

从图4可以看出，层流时(即相应于AB段)，试验点分布在一条与v轴成45°的斜线上，说明即水头损失h_f与流速v的一次方呈正比。紊流时(即相应于DC段)，试验点分布在一条倾角较大的斜线上，h_f＝K V^m，m＝1.8，另一条斜线m＝1.76。在水流从层流向紊流的转变过程中存在一个过渡区，当水流的流速由小逐渐加大，试验点由图5中的A点向B点移动。当流速增大到B点时，h_f有一个突然的增加。当水流的流速由大变小，试验点由D向C移动，到达C点时水流开始由紊流向层流过渡，而只有到达E点才完全变为层流。在流态过渡区中试验点是分散的。从图5沿程水头损失系数λ与雷诺数Re的关系曲线中可看出，紊流可做到光滑区和过渡区。

从图4和图5中可看出，所得的试验结果完全与理论值相符，与现有的小型实验设备相比雷诺数Re由9900增加到70000，量测范围提高了7倍。

高水头小型流体力学多功能实验仪使用方法：

1、排气：由于在实验前仪器中会含有大量的空气，因此要将多余的空气排出以确保量测得准确。

2、关闭除测量的一条实验管路之外的其他三条实验管路的下游阀门，打开需测的实验管路下游阀门，打开电源，调节调压阀使其压力表读数为所需数值，逐步调节下游阀门，直到比压计上出现最大的压差为止。

3、记录断面管径等数据。

4、待水流恒定后，进行测量，记录比压计读数，用秒表和量水箱测量流量，用温度表测水温。

5、然后依次改变下游阀门，使流量依次减小，待水流恒定后，依次进行测量。

Claims (1)

1.高水头小型流体力学多功能实验仪，其特征在于：所述实验仪是一个自循环恒定管道流系统，包括水箱、水泵、内部设有稳水栅的稳压箱、压力表、调压阀、四条实验管路、比压计和位于水箱上方的流量量测装置；

所述水箱通过所述水泵与所述稳压箱连通，所述稳压箱顶部安装所述压力表，所述稳压箱通过调压阀和水箱连通，用来控制稳压箱中的压力；

所述四条实验管路分别为文透里管、沿程水头损失粗管、局部水头损失突扩管和沿程水头损失细管，四管并联，两端分别与稳压箱和流量量测装置连通；所述各实验管路的下游设有下游阀门来控制各实验管路的流量，在所述水泵的输出管路上设有来流流量调节阀，保证来流条件稳定；

所述流量量测装置由位于上方的可滑动的分流箱和位于下方的量水箱和泄流箱组成，所述量水箱下部通过放空阀与水箱连通，所述泄流箱直接与所述水箱连通；

所述比压计顶部的连通管分别隔开，所述比压计的测压管分别与所述四条实验管路上的测压孔连接。

Images