一种双孔板稳压型有色水电控供给式雷诺实验仪及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体力学水力学教学实验仪器。尤其涉及一种双孔板稳压型有色水电控供给式雷诺实验仪。
【背景技术】
[0002]雷诺实验是流体力学水力学中传统的经典的必做实验之一。
[0003]雷诺实验要求观察管流层流与湍流流态，测量下临界雷诺数。
[0004]流态的观察是在管道中加储有色水作为示踪液来显示的。所加有色水的量，与人门在打盐水挂针时的滴储量相当。当层流情况下，管道中的流体质点互不混掺，有条不紊地作有序的成层流动。因此，从管道口储入的有色水在管道中会形成一条直线状向前流动；当湍流情况下，管中流体质点相互混掺，作无序的随机运动。因此，储入的有色水水股完全破碎，象烟雾般很快扩散至全管。这一实验的实验效果完全取决于有色水的供给器及其阀门的调控功能。传统实验上，有色水是通过高位水盒和软管及阀门自流直接供水，由于其有色水的供水量微小，所需供水软管是一根直径约1-2毫米的细管，有色水注射针直径近0.7毫米左右，用于开、关有色水的阀门，传统上常用盐水挂针用的手动调节阀，这种阀门是将软管挤压关闭，松开开启。其存在的问题，1、长期关闭后，软管失去弹性，经常会开启失效；
2、连接软管及其有色水注射针管很容易被气泡或小颗粒堵塞，尤其是实验后滞留在管中有色水不能排除，干燥后针管往往报废，给实验仪的维护造成困难；3、在本实验中，层流时的有色水用量要求较小，容易满足，但是在湍流情况下，因管流的水流流速较大，要求有色水浓度增强，才能显示并让学生看到烟雾状的扩散紊动现象。传统方法，当有色水盒的高程固定后，实验中要提高有色水的供应量，增强有色水的浓度无法实现，浓淡难调。4、旧式雷诺实验仪供水箱上固定储水盒仅够1~2次实验，且化学药剂配出的能消失有色水不易长期保存，几天就需要定期更换，但固定储水盒中有色水不易排空，且长时间存放容易产生沉淀，污染储水盒或管路，清洗不方便，也不容易更换有色水药液。
[0005]实测下临界雷诺数是需要观察管中有色水的图谱是湍流还是层流才能测定的。当观察到水流从湍流刚转变为层流时，所测定的雷诺数即为下临界雷诺数。其实验精度既与有色水的显示效果有关，又与恒压水箱的稳定性能有关。雷诺实验对稳压供水箱的稳定性能要求很高，希望湍流到层流的稳定时间越短越好。这里需先对“稳定时间”作一说明。本文所说的稳定时间都将以下例方法确定:在供水箱正常溢流的实验状态下，阀门开至雷诺数为2200左右的流量开度，然后保持阀门开度不变，关闭水泵，待排空稳压水箱内水体后，再开启水泵，当稳压箱水箱再次溢流时，开始计时，此时管道内的流体受稳水箱的紊动影响，质点杂乱无章，有色水象烟雾状扩散，并很快消失，形成因水箱水体不稳定而产生的管内水体湍流流态，因为这时管流雷诺数处于下临界2320以下，只要水箱的稳定性能好，管内的湍流经一定时间稳定后，能自动转变为层流，在层流状态时，管中有色水会形成一条直线状的流动形态。用秒表计下这段时间，即为本文所说的稳定时间。这一稳定时间与所设定的雷诺数有关，传统实验仪所能达到的实测临界值一般只有2000到2100左右，如果设定在2200左右，那么稳定时间再长，也不会转变为层流，这就是稳水箱稳定性能差的结果，所以在雷诺实验中，稳水箱的稳压性要求非常高。
[0006]传统的实验仪器稳定性能最好的是单孔板稳压箱。这种稳压箱其雷诺数2200时的稳定时间约需要十分钟左右。有时最大的临界雷诺数只能实测到2100左右，与老祖宗雷诺测得的2320临界雷诺数有较大差距，虽然雷诺在测该临界值条件是在地下室先静止三天，让水箱内水体非常稳定下才进行的，但教学实验中，师生都希望能在有限的教学实验时间里，用最快的稳定时间测到最接近2300的临界雷诺数。所以解决雷诺实验稳压供水箱的稳定性能，是雷诺实验技术难点之一。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种稳定时间短，稳定性高，有色水显示效果好，操作方便的高效雷诺实验仪，尤其是一种双孔板稳压型有色水电控供给式雷诺实验仪及其方法。
[0008]本发明的技术方案如下:
一种双孔板稳压型有色水电控供给式雷诺实验仪具有:有色水电控供给器、双孔板式稳压供水箱、透明实验管、自循环供水器、流量调节阀、回水管及控制电路，双孔板式稳压供水箱的下部侧壁设有出口与透明实验管相连，透明实验管上设有流量调节阀，透明实验管出口正对漏斗，漏斗通过回水管与自循环供水器相连，自循环供水器与双孔板式稳压供水箱通过一根进水管和一根溢流出水管相连，有色水电控供给器的有色水注射针的针孔固定于透明实验管与双孔板式稳压供水箱相通的入水口的中轴线上。
[0009]所述的有色水电控供给器具有有色水储水盒、气管、电控三通气阀、气泵、气嘴、有色水加注口与密封盖、虹吸管、有色水出水管、第一电控二通气阀、有色水注射针、第二电控二通气阀、第三电控二通气阀、电动蓄水供水瓶和有色水吸水管；
有色水储水盒的顶部设置有气嘴和有色水加注口与密封盖，气嘴通过气管与电控三通气阀相连，电控三通气阀通过气管与气泵相连，虹吸管插入有色水储水盒中，虹吸管露出有色水储水盒的部分设有气嘴和水嘴，气嘴位于水嘴上方或下方，虹吸管的气嘴与电控二通气阀相连，虹吸管的水嘴通过有色水出水管与有色水注射针相连，有色水储水盒底部设有与有色水吸水管相连的水嘴，有色水吸水管伸入电动蓄水供水瓶中，气泵通过第二电控二通气阀与电动蓄水供水瓶相连通。第三电控二通气阀的一端通过气管与电动蓄水供水瓶相连通。其中有色水加注口与密封盖也可不设。
[0010]所述的双孔板式稳压供水箱在供水管与出水管之间设有溢流板，在供水管与透明实验管的入水口之间顺次设有稳压双孔板、隔震板、稳压双孔板。
[0011]所述的控制电路包括第一控制开关，第二控制开关，自复位开关组成。第一控制开关一端与电源正极相连，另一端分别与电控三通气阀、气泵的正极相连，电控三通气阀、气泵负极与电源负极相连，第二控制开关一端与电源正极相连，另一端与第一电控二通气阀的正极相连，第一电控二通气阀负极与电源负极相连，自复位开关一端与电源正极相连，另一端分别与气泵、第二电控二通气阀、第三电控二通气阀正极相连，所有电器负极与电源负极相连。自复位开关也可以采用两个或多个按通或按断开关。
[0012]所述双孔板稳压型有色水电控供给式雷诺实验仪的实验操作方法是:
O打开总电源，按下自复位开关，第二电控二通气阀导通、第三电控二通气阀关闭，直到加足所需的有色水用水量，松开自复位开关；
然后打开水泵开关，全开自循环供水器，待双孔板式稳压供水箱溢流，实验水头稳定；
2)开启有色水虹吸注射
当按下第一控制开关时，气泵与电控三通气阀同时通电，有色水储水盒与大气的通路被电控三通气阀切断，气泵向盒内供气，盒内气压提高，虹吸管内的有色水液位随之提高，管上部的空气经由有色水出水管、有色水注射针排出，直至有色水充满虹吸管管顶和有色水出水管，形成虹吸流，待3-5秒，有色水从有色水注射针出流后再松开第一控制开关，观察管中的有色水流态；
3)有色水浓淡调节及雷诺数测量实验操作
有色水浓淡即供水流量大小由电控实现，在有色水正常流动的虹吸注射状态下，按下第一控制开关，气泵与管嘴相通，盒内加气，同时储水盒被封闭，气压提高，有色水流量增大，使实验管道内有色水浓度增高，如需要可多次按下第一控制开关，使有色水浓度增加，显示效果更清晰。
[0013]雷诺数测量实验操作时，多次缓慢关闭流量调节阀观察有色水流态，待接近层流现象时，每调节一次阀门，都需稳定1-2分钟，一旦有色水形成一条稳定的直线状时，测其雷诺数，便得到下临界雷诺数；
4)关闭有色水虹吸注射
需要关闭有色水注射或实验结束时，按下第二控制开关，第一电控二通气阀开启，在有色水正常虹吸注射状态下，有色水储水盒顶部的气嘴经第一电控二通气阀与大气相通，储水盒内空气处于敞口无压状态，盒内水位以上部分的虹吸管内呈现负压，当与虹吸管顶相连通的常闭第一电控二通气阀通电时，第一电控二通气阀开通，在大气压作用下，气流经第一电控二通气阀流入虹吸管顶部，真空被破坏，虹吸管断流，即有色水供应关闭。
[0014]5)储水盒的加水与排水方法
加水方法:电动蓄水供水瓶，是一密闭容器，按下自复位开关左侧，此时，气泵启动，第二电控二通气阀开启，而第三电控二通气阀、电控三通气阀均处于常闭状态，气流进入电动蓄水供水瓶，瓶内气压提高，在高气压作用下水流经有色水吸水管输送到有色水储水盒中；
排水方法:当实验结束或储水盒中有色水需要排除时，按下自复位开关右侧，第三电控二通气阀被开通，电动蓄水供水瓶中气体与大气相通，气压被消除，高位有色水储水盒中水体便自动流回到低位的电动蓄水供水瓶中，完成有色水回收及排空储水盒的过程。
[0015]6)有色水出水管与有色水注射针的疏通方法