一种全自动实时监测雷诺实验教学装置的制作方法

本发明涉及雷诺实验的技术领域，尤其涉及一种全自动实时监测雷诺实验教学装置。

背景技术：

雷诺实验在流体力学的发展史上具有非常重要的地位，是流体力学初学者了解水流流动机理以及水流状态变化规律的重要实验。因此，在流体力学教学过程中，雷诺实验是一个必不可少的教学实验。然而，现有的实验教学装置在数据采集以及水流速度控制方面存在以下缺陷，一是水流层流与紊流两种流态的过渡转变完全依靠人的肉眼观察进行分辨，这种观察导致人的主观因素影响很大，所引起的误差也很大；二是在求解雷诺数过程中，水流速度的获得是通过人为测量水流量，经过换算获得的，其误差比较大，缺乏准确性；三是实验的全过程中雷诺数的求解只能得到个别流速点的数值，不能获得全程雷诺数的数值动态变化规律。

技术实现要素：

针对现有雷诺实验装置人为实验时误差大、操作复杂的技术问题，本发明提出一种全自动实时监测雷诺实验教学装置，该实验教学装置能够避免上述缺陷所引入的人为误差，能够在有限的实验教学时间内较为精确地完成教学实验，提高实验教学效果，得到更为精确的实验结果。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种全自动实时监测雷诺实验教学装置，包括供水箱，供水箱分别与抽水泵和示踪剂添加管道相连接，抽水泵与循环水箱相连接，示踪剂添加管道通过示踪剂添加调节阀与观测管相连接，所述观测管上设有图像采集装置，观测管通过水流调节阀与净化装置相连接，净化装置与循环水箱相连接；所述抽水泵、图像采集装置和水流调节阀均与上位机相连接，上位机与显示屏相连接。

进一步地，所述图像采集装置包括ccd摄像机和反射背景挡板，ccd摄像机和反射背景挡板分别相对应设置在观测管两侧，ccd摄像机通过数据传输线与图像采集卡相连接，图像采集卡与上位机相连接。

进一步地，所述ccd摄像机的设置数量为至少三组，三组ccd摄像机分别设置在观测管的进水口处、中部和出水口处，三组ccd摄像机分别与三组反射背景挡板相配合。

进一步地，所述观测管为透明玻璃管。

进一步地，所述供水箱内设有若干个水流导向板，水流导向板的一端与供水箱相连接，水流导向板的另一端与供水箱之间设有空隙，若干个水流导向板采用s型方式交错布置在供水箱内。

进一步地，所述净化装置包括净化水箱，净化水箱分别与观测管和循环水箱相连通，净化水箱上设有消色剂添加管道，消色剂添加管道内添加有消色剂，消色剂与示踪剂添加管道内添加的示踪剂相配合，消色剂添加管道上设有消色剂添加调节阀。

进一步地，所述循环水箱为封闭式不锈钢水箱。

进一步地，所述消色剂为酸性溶液，示踪剂为碱性酚酞溶液。

进一步地，所述示踪剂添加管道的上部为漏斗状，示踪剂添加管道的上部与示踪剂添加调节阀相连接，示踪剂添加管道的下部为直角状，示踪剂添加管道的下部与观测管相连接。

一种全自动实时监测雷诺实验教学装置的实验方法，其步骤如下：

s1，接通电源，通过上位机依次打开抽水泵、ccd摄像机和水流调节阀，当整个循环水流稳定后，同时手动打开示踪剂添加调节阀和消色剂添加调节阀，分别向示踪剂添加管道内和消色剂添加管道内放入示踪剂和消色剂；

s2，开始雷诺数由层流到紊流演示实验，实验初期，设定水流流速v1，可观察到观测管内呈现一条细直流线，等待观测管内水流稳定后，通过上位机分别输入水流调节阀的速度调控参数和ccd摄像机的截图控制参数，其中，水流调节阀速度调控参数用于使得观测管内水流速度稳步递增，ccd摄像机的截图控制参数用于设定若干个具体的雷诺数值，实现全程实时采集或定点采集水流的流动状态；同时上位机根据雷诺数计算公式和管道流量计算公式综合得出雷诺数随流速变化的动态关系，并将这种动态关系以曲线图的方式同步在显示屏上显示；

s3，开始雷诺数由紊流到层流演示实验，实验初期，设定水流流速v2，可观察到观测管内呈现紊流状态，等待观测管内水流稳定后，通过上位机分别输入水流调节阀的速度调控参数和ccd摄像机的截图控制参数，其中，速度调控参数用于使得观测管内水流速度稳步递减，ccd摄像机的截图控制参数用于设定若干个具体的雷诺数值，同步获得沿程不同雷诺数下的水流状态图片，同时上位机根据雷诺数计算公式和管道流量计算公式综合得出雷诺数随流速变化的动态关系，将动态关系曲线图形显示到显示屏上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明涉及全自动实时监测雷诺实验教学装置，能够完全避免人为因素所引起的实验误差，得到更为精确的实验结果，从而更好地完成教学实验，提高实验教学效果。

2、本发明实验周期短、过程简单、可操作性强，通过计算机控制水流调节阀，调控观测管内水流的速度；一方面可精确定位特定雷诺数下水流的流动；另一方面可实现调节水流速度的变化即从层流到紊流或从紊流到层流，获得不同速度下雷诺数变化规律，同时利用ccd摄像机采集水流流动状态图像，将结果在计算机上实时动态显示，进而加深学生对水流状态层流与紊流之间过渡转变的理解。

3、本发明采用ccd摄像机对水流态观测管道内水流状态实施数据采集，可实时监测录制不同雷诺数下水流层流或紊流状态，实现全过程记录。

4、本发明中水循环净化系统与水循环供给系统相结合，减少了循环水的补给次数，提高了水资源的利用率，达到节约用水的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中观测管的结构示意图。

图3为图1中供水箱的剖视图。

图4为雷诺数随时间动态变化曲线示意图。

图5为本发明的工作流程图。

图中，11为供水箱，12为观测管，13为循环水箱，14为抽水泵，15为水流导向板，21为ccd摄像机，22为反射背景挡板，23为数据传输线，24为图像采集卡，25为水流调节阀，26为上位机，31为示踪剂添加管道，32为示踪剂添加调节阀，33为净化水箱，34为消色剂添加管道，35为消色剂添加调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1所示，一种全自动实时监测雷诺实验教学装置，包括实验台，实验台上放置有供水箱11，供水箱11分别与抽水泵14和示踪剂添加管道31相连接，抽水泵14与循环水箱13相连接，循环水箱13设置在实验台的下方，抽水泵为水循环提供动力，抽水泵14将循环水箱13内的水抽入供水箱内，依此使得水流循环工作。

示踪剂添加管道31通过示踪剂添加调节阀32与观测管12相连接，示踪剂添加调节阀32用于控制示踪剂的流入速度，示踪剂添加管道31设置在观测管的进水口处，示踪剂添加管道31的上部为漏斗状，示踪剂添加管道31的上部与示踪剂添加调节阀32相连接，示踪剂添加管道31的下部末端为直角状，示踪剂添加管道31的下部末端与观测管12相连接，示踪剂添加管道31的下部末端通过拐角端略深入观测管12内，以便于示踪剂和来流水更为稳定的回合，示踪剂采用碱性酚酞溶液。

如图2所示，所述观测管12上设有图像采集装置，图像采集装置包括ccd摄像机21和反射背景挡板22，ccd摄像机21和反射背景挡板22分别相对应设置在观测管12两侧，反射背景挡板与ccd摄像机在空间上对应分布，用于加强反射观测管内水流的颜色，便于ccd摄像机采集图形数据，有助于学生观察，ccd摄像机21通过数据传输线23与图像采集卡24相连接，图像采集卡24与上位机26相连接，上位机26设置在操作台上，上位机26内设有ccd图像采集单元控制模块、水流调节阀控制模块和雷诺数动态变化图形显示模块，ccd图像采集单元控制模块与图像采集卡相连接用于接收ccd采集的图像信息，水流调节阀控制模块与水流调节阀相连接用于控制水流调节阀的开启，雷诺数动态变化图形显示模块为仿真软件，起到控制和图形显示的功能。

观测管12通过水流调节阀25与净化装置相连接，观测管12为透明玻璃管，呈长方体型，立面宽度大于平面宽度，保证有足够的数据采集视野，观测管的出水口与水流调节阀25相连接，水流调节阀25为电磁阀，用于控制水流的流速，达到使观测管12内流体处于不同水流状态的目的。

净化装置与循环水箱13相连接，净化装置包括净化水箱33，净化水箱设置在实验台一侧，净化水箱用于存储和净化回水流，起到循环过度作用，循环水箱13为封闭式不锈钢水箱，用于存储循环用水，同时达到防止外部粉尘落入以及箱内水体腐蚀的目的，净化水箱33分别与观测管12和循环水箱33相连通，净化水箱33上设有消色剂添加管道34，消色剂添加管道内添加有消色剂，消色剂与示踪剂添加管道内添加的示踪剂相配合，示踪剂为碱性酚酞溶液，消色剂为酸性溶液，消色剂添加管道设置在净化水箱的一侧，用于消除被示踪剂染色的回水流的颜色，消色剂添加管道34上设有消色剂添加调节阀35，净化水箱内受到消色剂添加管道34流入的消色剂作用除色后，最终又流回到循环水箱13内。

所述抽水泵14、图像采集装置和水流调节阀25均与上位机26相连接，上位机26与显示屏相连接，上位机通过控制抽水泵14供水水循环，利用水流调节阀25控制水流的流速，上位机26将ccd摄像机21采集的图形数据在显示屏上显示。

如图5所示，一种全自动实时监测雷诺实验教学装置的实验方法，其步骤如下：

s1，接通电源，通过上位机26依次打开抽水泵14、ccd摄像机21和水流调节阀25，当整个循环水流稳定后，实验人员同时打开示踪剂添加调节阀32和消色剂添加调节阀35，分别向示踪剂添加管道31内和消色剂添加管道34内放入示踪剂和消色剂通过酸碱中和消除回水中的颜色；

s2，开始雷诺数由层流到紊流演示实验，实验初期，设定水流流速v1，v1为开始供水时水流速度，数值较小，处于低速供水状态，可观察到观测管12内呈现一条细直流线，等待观测管12内水流状态稳定后，通过上位机26分别输入水流调节阀25的速度调控参数和ccd摄像机的截图控制参数，水流调节阀25用于控制观测管出水速度即；为水流速率，为时间，为常系数，速度调控参数使得观测管12内水流速度稳步递增，ccd摄像机的截图控制参数可用于设定若干个具体的雷诺数值，例如，设置雷诺数分别为2300、2800、3200、3800、4000、4200，同时上位机26根据雷诺数计算公式和管道流量计算公式综合得出雷诺数随流速变化的动态关系，，其中、、分别为流体的流速、密度与黏性系数，为管道特征长度，如图4所示，显示屏上显示雷诺数随流速变化的动态关系曲线图；

s3，开始雷诺数由紊流到层流演示实验，实验初期，设定水流流速v2，v2数值较大，可观察到观测管12内呈现紊流状态，等待观测管12内水流状态稳定后，通过上位机26分别输入水流调节阀的速度调控参数和ccd摄像机的截图控制参数，速度调控参数使得观测管12内水流速度稳步递减，ccd摄像机的截图控制参数可设置若干个具体的雷诺数值，例如，设置雷诺数分别为4800、4500、4200、4000、3800、3500、2800、2300，可同步获得沿程不同雷诺数下的水流状态图片，同时上位机26根据雷诺数计算公式和管道流量计算公式综合得出雷诺数随流速变化的动态关系，将动态关系曲线图形显示到显示屏上。

实施例2：一种全自动实时监测雷诺实验教学装置，所述ccd摄像机21的设置数量为至少三组，三组ccd摄像机分别布置与观测管的进水口处、中部和出水口处，三组ccd摄像机分别与三组反射背景挡板相配合，保证每组摄像机采集图片的效果，用于实时采集和录制水流流动状态，有助于学生同步对比观察观测管12内水流状态的变化与显示屏上水流态雷诺数值的变化，加深学生对水流流动机理以及水流状态变化规律的认识和理解。

其余结构及实验方法与实施例1相同。

实施例3：如图3所示，一种全自动实时监测雷诺实验教学装置，所述供水箱11内设有若干个水流导向板15，水流导向板15设置在供水箱11内近进水口处，水流导向板15长度略小于供水箱11的宽度，水流导向板15一端与供水箱相连接，水流导向板另一端与供水箱之间留有空隙，若干个水流导向板15采用s型方式交错布置在供水箱内，使得水流稳定地流入观测管12内，有助于后续实验的精确性。

其余结构及实验方法与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。