专利名称：自动消色的自循环雷诺实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及实验量测仪器，尤其涉及一种显示液自动消色的自循环雷诺实验仪。
背景技术：
流体的两种流态，具有不同的运动特性。层流，流层间没有质点混掺，质点作有序的直线运动；紊流则相反，流层间质点混掺，为无序的随机运动。具体的流动是紊流还是非紊流(层流)，可用Re数作判据加以判别。雷诺实验，清晰地演示了层流、紊流两种流态的存在。雷诺实验仪是专门用于雷诺实验的实验仪器。
雷诺教学实验是流体力学重要教学内容之一。然而传统的雷诺实验仪存在着一定弊端其一，为有一恒压水位，必需有一个较大型的供水系统和溢流系统，占地面积大；；其二，受振动干扰较大，水体一时难以达到稳定；其三，示踪试剂对水体及实验管道染色严重，一则水不能重复利用，水消耗量太大，再则实验经水染色，对周围环境产生污染。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种带自动消色显示液的自循环雷诺实验仪。
它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，恒压水箱依次与实验管道相接，实验管道尾部设置流量调节阀，实验管道出口下设自循环回水装置，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，恒压水箱内设有溢流板、稳水板，稳水板侧向开有稳水孔，溢流板和稳水板将恒压水箱内划分为溢流区、恒压区和稳水区恒压水箱上部设有装可自动消色显示液容器，显示液容器下设带有导流针头的导流管，导流管端部针头对准实验管道入口中心，所说的显示液容器内装有带自动消色显示液，其成分为酚酞∶氢氧化钠＝1∶2～3配比，氢氧化钠浓度为1/1000～1/2000。
本实用新型的优点
1)一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地；
2)采用新型自动消色示踪试剂来取代传统示踪试剂，解决了传统雷诺实验仪设备易受示踪试剂染色、水体不可再利用的缺陷；
3)采用了独立自循环恒压供水系统，重复利用实验水体，节约资源。
附图是带自动消色显示液的自循环雷诺实验仪结构示意图。
具体实施方式
自动消色的自循环雷诺实验仪具有自循环供水器1、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器3控制，恒压水箱4依次与实验管道8相接，实验管道8尾部设置流量调节阀9，实验管道出口下设自循环回水装置2，恒压水箱4与自循环供水器1通过上水管和下水管连接，恒压水箱4内设有溢流板7、稳水板6，稳水板6侧向开有稳水孔，溢流板7和稳水板6将恒压水箱内划分为溢流区10、恒压区11和稳水区12，恒压水箱4上部设有装可自动消色显示液容器5，显示液容器5下设带有导流针头13的导流管，导流管端部针头对准实验管道8入口中心，所说的显示液容器5内装有带自动消色显示液，其成分为酚酞∶氢氧化钠＝1∶2～3配比，氢氧化钠浓度为1/1000～1/2000。
本实用新型的工作过程是在恒压水头下，流量调节阀调节实验管道内流量，显示液(色水)同时流入实验管道内，透过观测实验管道内显示液所形成的流线可判别出管道内水体层流、紊流两种流态。
本实用新型的实验，圆管雷诺数，其计算公式为
式中
Re——雷诺数；
υ——流体流速；
v——流体粘度；
d——圆管直径；
Q——圆管内过流流量。
实验测得实验管道内流量Q、实验管道内径d及实验水体温度t，流体粘度v经水体温度t查表得到，利用以上2个公式，可计算实验管道内水体的雷诺数。
本实用新型的自动消色显示液的主要成分为酚酞和氢氧化钠混合溶液，酚酞溶液的特性为在弱减及酸性条件下呈无色，当溶液碱性达到一定值时，溶液显红色。试剂在本实用新型中工作过程是酚酞和氢氧化钠按酚酞∶氢氧化钠＝1∶2～3比例分别量取，酚酞用无水酒精充分溶解，氢氧化钠用蒸馏水溶解，浓度为1/1000～1/2000，后将两种试剂混合，搅拌均匀，试剂显红色，此即为自动消色显示液。显示液置于显示液容器内，通过导流管针头的进入管道内，与实验水体共同运动前进，即可显示出管道内流态，经过实验管道后水体回流到自循环供水器内，自循环供水器内水体处于中性状态，显示液碱性降低，溶液显无色，既自动消色，经长时间工作，实验水体受碱化，水体显红，水体内加入适量稀盐酸，中和，水体即可消色。显示液对水体、管壁及周围环境无污染。
实验内容
(1)观察两种流态。
启动水泵供水，使水箱充水至溢流状态，经稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于实验管道内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后，逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，可观察到由紊流转变为层流的水力特征。
(2)测定临界雷诺数，再现当年雷诺实验全过程。
a.测定下临界雷诺数
开启调节阀，使管中完全紊流，再逐步关小流量调节阀，调节过程中只许关小、不许开大流量调节阀，且每调节一次流量(即关小一次阀门)后，需待稳定一段时间再观察其形态，直至使颜色水流刚好成一直线，即表明由紊流刚好转为层流，此时可测得下临界雷诺数值为2000～2300之间。而雷诺在实验时得出园管流动的下临界雷诺数为2320，原因是下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关，雷诺进行实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验由于受环境干扰因素影响，很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000～2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的园管下临界雷诺数一般是2000。如果测得雷诺数太小，应开阀至紊流后再重新测量。
b.测定上临界雷诺数
开启水泵，水箱溢流后，微开调节阀使管中出现层流，逐渐开大调节阀，注意，只许开大，不许关小阀门，待颜色水流刚好散开，表明由层流刚好转为紊流，即有上临界雷诺值。根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000～5000范围之内，与操作的快慢，水箱的紊动度，及外界的干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。
成果分析
(1)流态判据采用无量纲参数，而不采用临界流速。
雷诺在1883年以前的实验中，发现园管流动存在着两种流态——层流和紊流，并且存在着层流转化为紊流的临界流速υc′，υc′与流体的粘性v、园管的直径d有关，即
υc′＝f(v，d) (3)
因此，从广义上看，υc′不能作为流态转变的判据。
为了判别流态，雷诺对不同管径、不同粘性液体作了大量的实验，得出了用无量纲参数(υd/v)作为管流流态的判据。他不但深刻揭示了流态转变的规律，而且还为后人用无量纲化的方法进行实验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数结果相同的无量纲数。
可以认为式(3)的函数关系能用指数的乘积来表示。即
其中K为某一无量纲系数。
式(4)的量纲关系为
从量纲和谐原理，得
L2α1+α2＝1
Tα1＝-1
联立求解得α1＝1，α2＝-1。
将上述结果，代入式(4)，得
或
雷诺实验完成了K值的测定，以及是否为常数的验证。结果得到K＝2320。于是，无量纲数υd/v便成了适合于任何管径。任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的贡献，υd/v定名为雷诺数。
随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量纲参数，研究多个物理量间的关系，成了现今实验研究的重要手段之一。
(2)层流和紊流在运动学特件和动力学特性方面的差异如下表
(3)雷诺数的物理意义。
雷诺数可以看作为液流惯性力与粘滞力的比值。要理解这一点可以从惯性力与粘滞力的量纲进行分析。
其中体积W为特征长度L的立方，即[W]＝[L]3；加速度
的量纲用特征流速与时间的量纲之比来表示，即所以惯性力的量纲为
粘滞力其中面积ω的量纲为特征长度L的平方，即[ω]＝[L]2，流速梯度
的量纲可用特征流速和特征长度L的量纲之比来表示，即所以粘滞力的量纲为
惯性力和粘滞力量纲的比值为
上式的量纲与雷诺数的量纲相同，式中的特征长度L在管流中用直径d表示，在明渠中则用水力半径R表示。
由以上分析可知，雷诺数可表征惯性力与粘滞力之比。
权利要求1、一种自动消色的自循环雷诺实验仪，其特征在于它具有自循环供水器(1)、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器(3)控制，恒压水箱(4)依次与实验管道(8)相接，实验管道(8)尾部设置流量调节阀(9)，实验管道出口下设自循环回水装置(2)，恒压水箱(4)与自循环供水器(1)通过上水管和下水管连接，恒压水箱(4)内设有溢流板(7)、稳水板(6)，稳水板(6)侧向开有稳水孔，溢流板(7)和稳水板(6)将恒压水箱内划分为溢流区(10)、恒压区(11)和稳水区(12)，恒压水箱(4)上部设有装可自动消色显示液容器(5)，显示液容器(5)下设带有导流针头(13)的导流管，导流管端部针头对准实验管道(8)入口中心，所说的显示液容器(5)内装有带自动消色显示液，其成分为酚酞∶氢氧化钠＝1∶2～3配比，氢氧化钠的浓度为1/1000～1/2000。
专利摘要本实用新型公开了一种自动消色的自循环雷诺实验仪。它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，恒压水箱依次与实验管道相接，实验管道尾部设置流量调节阀，实验管道出口下设自循环回水装置，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，恒压水箱内设有溢流板、稳水板，稳水板侧向开有稳水孔，溢流板和稳水板将恒压水箱内划分为溢流区、恒压区和稳水区恒压水箱上部设有装可自动消色显示液容器，显示液容器下设带有导流针头的导流管。本实用新型采用独立自循环恒压供水系统，操作简便直观，自动消色显示液来取代传统显示液，解决传统雷诺实验设备易受显示液染色、水体不可再利用的缺陷。
文档编号G09B23/00GK2752879SQ20042003722
公开日2006年1月18日 申请日期2004年7月2日 优先权日2004年7月2日
发明者毛根海, 陈少庆, 胡卫红, 章军军, 杨敏丽 申请人:浙江大学