一種雙孔板穩壓型有色水電控供給式雷諾實驗儀及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及流體力學水力學教學實驗儀器。尤其涉及一種雙孔板穩壓型有色水電控供給式雷諾實驗儀。
【背景技術】
[0002]雷諾實驗是流體力學水力學中傳統的經典的必做實驗之一。
[0003]雷諾實驗要求觀察管流層流與湍流流態，測量下臨界雷諾數。
[0004]流態的觀察是在管道中加儲有色水作為示蹤液來顯示的。所加有色水的量，與人門在打鹽水掛針時的滴儲量相當。當層流情況下，管道中的流體質點互不混摻，有條不紊地作有序的成層流動。因此，從管道口儲入的有色水在管道中會形成一條直線狀向前流動；當湍流情況下，管中流體質點相互混摻，作無序的隨機運動。因此，儲入的有色水水股完全破碎，象煙霧般很快擴散至全管。這一實驗的實驗效果完全取決于有色水的供給器及其閥門的調控功能。傳統實驗上，有色水是通過高位水盒和軟管及閥門自流直接供水，由于其有色水的供水量微小，所需供水軟管是一根直徑約1-2毫米的細管，有色水注射針直徑近0.7毫米左右，用于開、關有色水的閥門，傳統上常用鹽水掛針用的手動調節閥，這種閥門是將軟管擠壓關閉，松開開啟。其存在的問題，1、長期關閉后，軟管失去彈性，經常會開啟失效；
2、連接軟管及其有色水注射針管很容易被氣泡或小顆粒堵塞，尤其是實驗后滯留在管中有色水不能排除，干燥后針管往往報廢，給實驗儀的維護造成困難；3、在本實驗中，層流時的有色水用量要求較小，容易滿足，但是在湍流情況下，因管流的水流流速較大，要求有色水濃度增強，才能顯示并讓學生看到煙霧狀的擴散紊動現象。傳統方法，當有色水盒的高程固定后，實驗中要提高有色水的供應量，增強有色水的濃度無法實現，濃淡難調。4、舊式雷諾實驗儀供水箱上固定儲水盒僅夠1~2次實驗，且化學藥劑配出的能消失有色水不易長期保存，幾天就需要定期更換，但固定儲水盒中有色水不易排空，且長時間存放容易產生沉淀，污染儲水盒或管路，清洗不方便，也不容易更換有色水藥液。
[0005]實測下臨界雷諾數是需要觀察管中有色水的圖譜是湍流還是層流才能測定的。當觀察到水流從湍流剛轉變為層流時，所測定的雷諾數即為下臨界雷諾數。其實驗精度既與有色水的顯示效果有關，又與恒壓水箱的穩定性能有關。雷諾實驗對穩壓供水箱的穩定性能要求很高，希望湍流到層流的穩定時間越短越好。這里需先對“穩定時間”作一說明。本文所說的穩定時間都將以下例方法確定:在供水箱正常溢流的實驗狀態下，閥門開至雷諾數為2200左右的流量開度，然后保持閥門開度不變，關閉水泵，待排空穩壓水箱內水體后，再開啟水泵，當穩壓箱水箱再次溢流時，開始計時，此時管道內的流體受穩水箱的紊動影響，質點雜亂無章，有色水象煙霧狀擴散，并很快消失，形成因水箱水體不穩定而產生的管內水體湍流流態，因為這時管流雷諾數處于下臨界2320以下，只要水箱的穩定性能好，管內的湍流經一定時間穩定后，能自動轉變為層流，在層流狀態時，管中有色水會形成一條直線狀的流動形態。用秒表計下這段時間，即為本文所說的穩定時間。這一穩定時間與所設定的雷諾數有關，傳統實驗儀所能達到的實測臨界值一般只有2000到2100左右，如果設定在2200左右，那么穩定時間再長，也不會轉變為層流，這就是穩水箱穩定性能差的結果，所以在雷諾實驗中，穩水箱的穩壓性要求非常高。
[0006]傳統的實驗儀器穩定性能最好的是單孔板穩壓箱。這種穩壓箱其雷諾數2200時的穩定時間約需要十分鐘左右。有時最大的臨界雷諾數只能實測到2100左右，與老祖宗雷諾測得的2320臨界雷諾數有較大差距，雖然雷諾在測該臨界值條件是在地下室先靜止三天，讓水箱內水體非常穩定下才進行的，但教學實驗中，師生都希望能在有限的教學實驗時間里，用最快的穩定時間測到最接近2300的臨界雷諾數。所以解決雷諾實驗穩壓供水箱的穩定性能，是雷諾實驗技術難點之一。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種穩定時間短，穩定性高，有色水顯示效果好，操作方便的高效雷諾實驗儀，尤其是一種雙孔板穩壓型有色水電控供給式雷諾實驗儀及其方法。
[0008]本發明的技術方案如下:
一種雙孔板穩壓型有色水電控供給式雷諾實驗儀具有:有色水電控供給器、雙孔板式穩壓供水箱、透明實驗管、自循環供水器、流量調節閥、回水管及控制電路，雙孔板式穩壓供水箱的下部側壁設有出口與透明實驗管相連，透明實驗管上設有流量調節閥，透明實驗管出口正對漏斗，漏斗通過回水管與自循環供水器相連，自循環供水器與雙孔板式穩壓供水箱通過一根進水管和一根溢流出水管相連，有色水電控供給器的有色水注射針的針孔固定于透明實驗管與雙孔板式穩壓供水箱相通的入水口的中軸線上。
[0009]所述的有色水電控供給器具有有色水儲水盒、氣管、電控三通氣閥、氣泵、氣嘴、有色水加注口與密封蓋、虹吸管、有色水出水管、第一電控二通氣閥、有色水注射針、第二電控二通氣閥、第三電控二通氣閥、電動蓄水供水瓶和有色水吸水管；
有色水儲水盒的頂部設置有氣嘴和有色水加注口與密封蓋，氣嘴通過氣管與電控三通氣閥相連，電控三通氣閥通過氣管與氣泵相連，虹吸管插入有色水儲水盒中，虹吸管露出有色水儲水盒的部分設有氣嘴和水嘴，氣嘴位于水嘴上方或下方，虹吸管的氣嘴與電控二通氣閥相連，虹吸管的水嘴通過有色水出水管與有色水注射針相連，有色水儲水盒底部設有與有色水吸水管相連的水嘴，有色水吸水管伸入電動蓄水供水瓶中，氣泵通過第二電控二通氣閥與電動蓄水供水瓶相連通。第三電控二通氣閥的一端通過氣管與電動蓄水供水瓶相連通。其中有色水加注口與密封蓋也可不設。
[0010]所述的雙孔板式穩壓供水箱在供水管與出水管之間設有溢流板，在供水管與透明實驗管的入水口之間順次設有穩壓雙孔板、隔震板、穩壓雙孔板。
[0011]所述的控制電路包括第一控制開關，第二控制開關，自復位開關組成。第一控制開關一端與電源正極相連，另一端分別與電控三通氣閥、氣泵的正極相連，電控三通氣閥、氣泵負極與電源負極相連，第二控制開關一端與電源正極相連，另一端與第一電控二通氣閥的正極相連，第一電控二通氣閥負極與電源負極相連，自復位開關一端與電源正極相連，另一端分別與氣泵、第二電控二通氣閥、第三電控二通氣閥正極相連，所有電器負極與電源負極相連。自復位開關也可以采用兩個或多個按通或按斷開關。
[0012]所述雙孔板穩壓型有色水電控供給式雷諾實驗儀的實驗操作方法是:
O打開總電源，按下自復位開關，第二電控二通氣閥導通、第三電控二通氣閥關閉，直到加足所需的有色水用水量，松開自復位開關；
然后打開水泵開關，全開自循環供水器，待雙孔板式穩壓供水箱溢流，實驗水頭穩定；
2)開啟有色水虹吸注射
當按下第一控制開關時，氣泵與電控三通氣閥同時通電，有色水儲水盒與大氣的通路被電控三通氣閥切斷，氣泵向盒內供氣，盒內氣壓提高，虹吸管內的有色水液位隨之提高，管上部的空氣經由有色水出水管、有色水注射針排出，直至有色水充滿虹吸管管頂和有色水出水管，形成虹吸流，待3-5秒，有色水從有色水注射針出流后再松開第一控制開關，觀察管中的有色水流態；
3)有色水濃淡調節及雷諾數測量實驗操作
有色水濃淡即供水流量大小由電控實現，在有色水正常流動的虹吸注射狀態下，按下第一控制開關，氣泵與管嘴相通，盒內加氣，同時儲水盒被封閉，氣壓提高，有色水流量增大，使實驗管道內有色水濃度增高，如需要可多次按下第一控制開關，使有色水濃度增加，顯示效果更清晰。
[0013]雷諾數測量實驗操作時，多次緩慢關閉流量調節閥觀察有色水流態，待接近層流現象時，每調節一次閥門，都需穩定1-2分鐘，一旦有色水形成一條穩定的直線狀時，測其雷諾數，便得到下臨界雷諾數；
4)關閉有色水虹吸注射
需要關閉有色水注射或實驗結束時，按下第二控制開關，第一電控二通氣閥開啟，在有色水正常虹吸注射狀態下，有色水儲水盒頂部的氣嘴經第一電控二通氣閥與大氣相通，儲水盒內空氣處于敞口無壓狀態，盒內水位以上部分的虹吸管內呈現負壓，當與虹吸管頂相連通的常閉第一電控二通氣閥通電時，第一電控二通氣閥開通，在大氣壓作用下，氣流經第一電控二通氣閥流入虹吸管頂部，真空被破壞，虹吸管斷流，即有色水供應關閉。
[0014]5)儲水盒的加水與排水方法
加水方法:電動蓄水供水瓶，是一密閉容器，按下自復位開關左側，此時，氣泵啟動，第二電控二通氣閥開啟，而第三電控二通氣閥、電控三通氣閥均處于常閉狀態，氣流進入電動蓄水供水瓶，瓶內氣壓提高，在高氣壓作用下水流經有色水吸水管輸送到有色水儲水盒中；
排水方法:當實驗結束或儲水盒中有色水需要排除時，按下自復位開關右側，第三電控二通氣閥被開通，電動蓄水供水瓶中氣體與大氣相通，氣壓被消除，高位有色水儲水盒中水體便自動流回到低位的電動蓄水供水瓶中，完成有色水回收及排空儲水盒的過程。
[0015]6)有色水出水管與有色水注射針的疏通方法