一种用于观测湍流特征的雷诺实验仪的制作方法

本实用新型属于流体力学实验设备领域，涉及一种用于观测湍流特征的雷诺实验仪。

背景技术：

雷诺实验是雷诺于1883年设计的经典实验，用于研究流体的不同流动状态，即层流状态和湍流状态。雷诺用滴管在流体内注入有色颜料，发现流速不大时，管内呈现一条条与管壁平行并清晰可见的有色细丝即脉线，管内流体分层流动，互不混淆，说明管内流体处于层流运动状态。增大流速，则脉线变粗，开始出现波纹，随管内流速的增加，波纹的数目和振幅逐渐加大，当流速达到某数值时，脉线突然分裂成许多运动着的小涡旋，继而很快消失，使整个管内的流体带上了淡薄的颜料的颜色，此时流体处于湍流状态。

目前，虽然进行了许多关于湍流的研究，但是迄今还没有成熟的数学理论，许多基本技术问题尚未得到完美的理论解释。人们希望通过湍流实验研究，能在不久的将来揭示出湍流现象的一些机制，从而对全面认识和解决湍流这个难题向前跨进一步。鉴于此，对传统的雷诺实验仪进行改进，一方面提高试验的观测精度，另一方面进一步明确流体从层流到湍流的变化特征。

技术实现要素：

为解决现有技术中心存在的问题，本实用新型的目的是提供一种用于观测湍流特征的雷诺实验仪，本实用新型能够较为准确的观测流体从层流到湍流的变化特征。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于观测湍流特征的雷诺实验仪，包括实验台、供水箱、稳水箱、示踪盒、试验管道和示踪盒管道，稳水箱和试验管道设置于实验台上，稳水箱中设有挡板b，挡板b将稳水箱内腔分隔为a区和b区，稳水箱中还设有挡板a，挡板a将所述a区分隔为a1区和a2区，挡板a和挡板b顶部平齐且与稳水箱内顶面留有空隙；供水箱的出口与a1区连通，a2区的底部设有溢流管；试验管道的进口与b区连通，试验管道的出口设有流量调节阀；示踪盒设置于稳水箱顶部，示踪盒管道的入口与示踪盒连接，示踪盒管道的出口设置在试验管道进口处；试验管道是透明的。

所述试验管道的横截面为矩形。

示踪盒设置至少两个，示踪盒中盛装不同颜色的示踪剂，每个示踪盒上均连接有所述示踪盒管道。

每个示踪盒上连接的示踪盒管道的出口在试验管道进口处呈水平并排分布。

供水箱中装有抽水泵，抽水泵通过上水管与所述a1区连通。

还包括集水池和集水管，集水池设置于试验管道的出口处，用于盛接试验管道的出水，集水管的一端与集水池连接，另一端连接至供水箱。

溢流管连接至供水箱。

试验管道的上方设有用于拍摄试验管道内流体流动状态的高速摄影机。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的用于观测湍流特征的雷诺实验仪通过在稳水箱中设置挡板a和挡板b能够使得试验管道的进口的水流稳定，保证实验结果的准确性。其稳流的原理为：随着a1区中水位的上升，a1区中的水一部分溢流至a2区并顺溢流管溢流，另一部分流入b区，使b区的水充满且溢流至a2区；由于b区中的水一直处于溢流状态，因此其水位稳定，进一步的使得试验管道的进口的水流稳定。试验管道的出口设有流量调节阀，利用流量调节阀能够调节试验管道中的水流速，进一步能够观察试验管道中流体从层流到湍流的变化特征。由上述可以看出，本实用新型结构简单，便于操作，容易制造，测量结果准确。

进一步的，试验管道的横截面为矩形，相较于现有的圆形管道，能够降低管壁对流场的扰动，有利于提高观测效果。

进一步的，示踪盒设置至少两个，示踪盒中盛装不同颜色的示踪剂，利用两种及以上颜色的示踪，可以精确研究水流中不同位置处的水流由层流变化为湍流想象的异同，有助于进一步分析研究湍流的形态特征。

进一步的，溢流管连接至供水箱、设置集水池和集水管，能够将排出的水汇入供水箱中，重复利用水资源，减少了水资源浪费。

进一步的，采用高速摄影机拍记录摄试验管道内流体流动状态，提升了观测精度。

附图说明

图1是本实用新型雷诺实验仪的主视图；

图2是本实用新型雷诺实验仪的稳水箱的右视图；

图3是本实用新型雷诺实验仪的稳水箱的左视图；

图4是本实用新型雷诺实验仪的高速摄影机安装示意图。

图中，1.稳水箱；2.挡板a；3.挡板b；4.上水管；5.供水箱；6.抽水泵；7.示踪盒；8.示踪盒管道；9.试验管道；10.固定架；11.实验台；12.流量调节阀；13.集水池；14.集水管；15.溢流管；16a.高速摄影机1，16b.高速摄影机2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1～图3所示，本实用新型的用于观测湍流特征的雷诺实验仪，包括实验台11、供水箱5、稳水箱1、示踪盒7、试验管道9和示踪盒管道8，稳水箱1和试验管道9设置于实验台11上，稳水箱1中设有挡板b3，挡板b3将稳水箱1内腔分隔为a区和b区，稳水箱1中还设有挡板a2，挡板a2将所述a区分隔为a1区和a2区，挡板a2和挡板b3顶部平齐且与稳水箱1内顶面留有空隙；供水箱5的出口与a1区连通，a2区的底部设有溢流管15；试验管道9的进口与b区连通，试验管道9的出口设有流量调节阀12；示踪盒7设置于稳水箱1顶部，示踪盒管道8的入口与示踪盒7连接，示踪盒管道8的出口设置在试验管道9进口处；试验管道9是透明的。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图2，试验管道9的横截面为矩形。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图2，示踪盒7设置至少两个，示踪盒7中盛装不同颜色的示踪剂，每个示踪盒7上均连接有所述示踪盒管道8。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图2，每个示踪盒7上连接的示踪盒管道8的出口在试验管道9进口处呈水平并排分布，

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1，供水箱5中装有抽水泵6，抽水泵通过上水管4与所述a1区连通。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1，本实用新型的用于观测湍流特征的雷诺试验仪还包括集水池13和集水管14，集水池13设置于试验管道9的出口处，用于盛接试验管道9的出水，集水管14的一端与集水池13连接，另一端连接至供水箱5。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图4，试验管道9的上方设有用于拍摄试验管道9内流体流动状态的高速摄影机。

本实用新型用于观测湍流特征方法，通过本实用新型上述的雷诺实验仪进行，包括如下步骤：

s1，通过供水箱5向a1区供水，随着a1区中水位的上升，a1区中的水一部分溢流至a2区并顺溢流管15溢流，另一部分流入b区，使b区的水充满且溢流至a2区；

s2，打开流量调节阀12，然后利用示踪盒7和示踪盒管道8向试验管道9的进口加入示踪剂；

s3，观察试验管道9中示踪剂的状态。

在观察过程中，通过调节流量调节阀12，观察在不同流速状态下流体的状态。

实施例

本实施例的用于观测湍流特征的雷诺实验仪，包括设置在实验台11下方的供水箱5和集水管14，供水箱5中放置抽水泵6，抽水泵6与上水管4相连，水流通过上水管4注入稳水箱中1。实验台11上方安置稳水箱1，稳水箱1中设置有垂直相交的两个挡板(即挡板a2和挡板b3)，挡板a2和挡板b3的上端平齐且上端与稳水箱1顶面之间留有孔隙，挡板b3将稳水箱1分为左右两个区域(a区和b区)，挡板a2将a区分为两个区域(a1区和a2区)，其中a1区为进水侧，a2区为溢流侧，溢流侧下端设有溢流管15，溢流管15与供水箱5相连。在稳水箱b区右下壁(参照图1所示方位)处安置有进水口，进水口外侧与横截面为方形的试验管道9连接，试验管道9横截面为边长为30mm的正方形，试验管道9的总长为100cm，试验管道9水平固定在实验台11上的固定架10上，试验管道9末端设有流量调节阀12，试验管道9出口处流向集水池13。在试验管道9的中段区域顶面和正面分别垂直安置高速摄影机116a和高速摄影机216b，两台高速摄影机记录实验过程中水流状态的变化情况。本实施例中设置两个示踪盒7，每个示踪盒7上各自连接有示踪盒管道8，示踪盒管道8的出口对称设置在试验管道9的进口处(参见图2)；示踪盒管道8的吃口分贝距试验管道侧壁距离7.5mm。供水箱5、稳水箱1、示踪盒7、试验管道9、集水池13以及集水管14都由有机玻璃材料加工而成。

本实施例观测湍流特征的具体操作步骤为：

1)在进行实验时，首先向供水箱5中添满水，关闭颜色水箱(示踪盒7)上的止水夹，向两个颜色水箱中分别添加蓝色和红色墨水。

2)打开抽水泵6，水流会流入稳水箱1中的a1区，然后充满a1区和b区。稳水箱1中水位稳定后，打开试验管道9末端的流量调节阀12，水流从试验管道9进口流入、出口流出，然后流入集水池经集水管道汇入供水箱中。

3)打开装有蓝色墨水的示踪盒7上的止水夹，蓝色墨水缓慢从示踪盒管道8流入试验管道9的进口中，打开顶部和正面高速摄影机，对试验管道9中水流状态进行摄像。蓝色墨水在试验管道9中呈稳定而明显的直线时为层流状态。缓慢增大流量调节阀12开度，水流逐渐增大，记录蓝色墨水从层流到湍流的过程，与此同时在集水口处用量筒量测流速。根据试验管道的直径和长度，以及流速可以求出又层流过渡至湍流的临界雷诺数。

4)减小流量调节阀12的开度，使蓝色墨水呈层流运动，关闭蓝色墨水止水夹。打开装有红色墨水的示踪盒7上的止水夹，红色墨水在试验管道9中呈稳定而明显的直线时为层流状态。缓慢增大流量调节阀12的开度，水流逐渐增大，记录红色墨水从层流到湍流的过程，与此同时在集水口处用量筒量测流速。

5)减小流量调节阀12的开度，使红色墨水呈层流运动，关闭装有红色墨水的示踪盒7上的止水夹。

6)同时打开装有蓝色墨水的示踪盒7和装有红色墨水的示踪盒7的止水夹，使两种颜色墨水同时在试验管道9中运动。两种颜色墨水在试验管道9中分别呈稳定而互不干扰的直线时为层流状态。缓慢增大流量调节阀12的开度，水流逐渐增大，两种颜色的墨水逐渐开始颤动、弯曲和混合，与此同时在集水口处用量筒量测流速。

7)关闭高速摄影机，关闭装有蓝色墨水的示踪盒7和装有红色墨水的示踪盒7的止水夹和流量调节阀12；关闭抽水泵6电源，排出试验装置中的水。

8)将高速摄影的影像逐帧转换为图片，对比分析不同示踪剂水流运动状态的异同，查明水流从层流到湍流的运动状态和特征。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：(1)在稳水箱中设置溢流区域，将稳水箱中的水位维持在一定高度，保证了稳水箱中的水位稳定；(2)设置两个颜色水进水口，可以精确研究水流中不同位置处的水流由层流变化为湍流想象的异同，有助于进一步分析研究湍流的形态特征；(3)将传统的圆形试验管道改为正方形管道，减小了圆形管侧壁对水流场的扰动；(4)设置集水池，集水管以及溢流管道的水，统一汇入供水箱中，重复利用水资源，减少了水资源浪费；(5)采用高速摄影机记录水流形态，提升了观测精度。本实用新型通过供水箱、稳水箱、试验管道、集水池和集水管实现了试验循环用水，结构简单，便于操作，容易制造。设置两个进水管并且将试验管道改为方形管道，查明水流不同位置从层流过渡到湍流过程中的颜色水的变化情况，可以查明水流由层流至湍流时的流动特征，有助于解释湍流现象发生的本质。