一种装配式流体力学综合实验装置的制作方法

[0001]
本发明涉及流体力学技术领域，尤其涉及流体力学实验装置，具体地说是一种装配式流体力学综合实验装置。


背景技术：

[0002]
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。以上主要是从研究对象的角度来说明流体力学的内容和分支。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。为了观察流体现象，出现了流体力学实验装置。
[0003]
目前成熟的流体力学实验装置功能较为单一，不能同时进行流体力学实验中的雷诺实验、局部阻力系数测定实验、文丘里流量计测流量实验、孔板流量计实验、毕托管实验、伯努利方程实验和沿程阻力系数测定实验等。如一般情况下一个实验台上只放置实现单个流体力学知识点演示的实验设备，也就是说每个实验都需要一个实验台和一套泵及储水罐。对一个以某工科型为主的大学为例，需要的流体力学演示实验的台套数可多达50台，加上材料准备等空间，占地面积接近300m2，造成了教学场地等资源的浪费。即使有的装置集成了多个实验，但又无法合理配置时间。另一方面，由于不同演示实验难度的不同，学生在不同实验台上操作时间差别较大，造成难度较小的实验闲置时间更多，泵、桌台等设备利用率低。
[0004]
而综合性流体力学实验装置功能繁多、样式也较多，但现有的综合性实验装置主要存在如下问题：所用材质贵或设计组件具有一定曲率使得加工难度大；组件往往为集成式装置且并单独生产成本高，导致了维护难度颇大；装置无法根本性解决实验功能单一的问题，仅把固定数目的实验集成不具有可拓展性。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种装配式流体力学综合实验装置。
[0006]
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：一种装配式流体力学综合实验装置，包括实验平台，其特征在于：在实验平台的一端上方放置有稳流水箱且在稳流水箱的正下方设有位于实验平台内腔中的蓄水箱，蓄水箱内的水泵通过稳流进水管为稳流水箱供水；所述稳流水箱朝向实验平台另一端的开口侧壁板上设有开口，且开口侧壁板的内侧设有用于插入相应实验挡板以封闭开口的挡板插槽；该开口侧壁板外侧的实验平台上用于安装相应的非共用实验组件，且实验平台的另一端下侧设有回水过滤槽。
[0007]
所述的挡板插槽和相应的实验挡板之间采用卯榫结构连接且挡板插槽的外侧壁
为开口侧壁板。
[0008]
所述的回水过滤槽通过实验平台下方设置的回水管道与蓄水箱相连接。
[0009]
所述的稳流水箱内设有弧形溢流坝，弧形溢流坝将稳流水箱的内腔分割为稳流区和溢流区，溢流区的底部通过稳流出水管与蓄水箱相连通；稳流区内设有稳流机构且稳流进水管设置在稳流机构和弧形溢流坝之间的稳流区底部。
[0010]
所述的稳流机构采用稳流抽屉或多重通孔错位式稳流板。
[0011]
所述的蓄水箱内设有用于放置水泵的无水泵间，水泵的抽水口伸出无水泵间外的蓄水箱中且水泵的出水口与插入无水泵间内的稳流进水管的底端相连接；所述的蓄水箱上设有数显设备间且数显设备间内设有与水泵通过线路相连接的可控无级调速器以控制水泵。
[0012]
所述的挡板插槽处插有用于雷诺实验的雷诺挡板，雷诺挡板的渐缩接口的扩大侧通过示踪试剂导流管与设置在稳流水箱顶部的示踪试剂盒相连接、渐缩接口的缩小侧与雷诺出流管的一端相连通，雷诺出流管的另一端带有无级流量阀。
[0013]
所述的实验平台上设有支撑雷诺出流管的雷诺出流管支架和雷诺出流管挡板架，雷诺出流管挡板架布置在无级流量阀的内侧。
[0014]
所述的实验平台上固定有两卡门涡街侧挡板，两卡门涡街侧挡板的一端密封连接开口侧壁板、另一端采用卡门涡街外挡板封闭构成一条顶部开口的封闭渠道，且固定在实验平台上的卡门涡街外挡板的高度低于卡门涡街侧挡板的高度；上述封闭渠道内放置的卡门涡街扰流物通过示踪试剂导流管与设置在稳流水箱顶部的示踪试剂盒相连接。
[0015]
所述的挡板插槽处插有用于孔口与管嘴出流实验的孔口管嘴出流挡板，孔口管嘴出流挡板上设有带多个孔口管嘴的转换轮盘；或者所述的挡板插槽处插有用于孔口与管嘴出流实验的孔口管嘴出流挡板，孔口管嘴出流挡板上设有带多个孔口管嘴的转换轮盘，且所述实验平台上固定有密封连接开口侧壁板的两卡门涡街侧挡板，两卡门涡街侧挡板构成的渠道将孔口与管嘴出流实验的水流引导至回水过滤槽。
[0016]
本发明相比现有技术有如下优点：本发明的流体力学综合实验装置能够通过切换不同的实验挡板可完成不同的实验，可用于雷诺实验、局部阻力系数测定实验、文丘里流量计测流量实验、孔板流量计实验、毕托管实验、伯努利方程实验、孔口与管嘴出流实验、卡门涡街实验、沿程阻力系数测定实验等；综合实验装置的通用件能够实现模块化生产与研发，研发与生产成本低且自动化水平高，使用方法简单、测量结果准确、市场推广价值高且设备利用率高，故适宜推广使用。
附图说明
[0017]
附图1为本发明的装配式流体力学综合实验装置的结构示意图；附图2为本发明的稳流水箱的箱体和稳流抽屉、雷诺挡板的配合结构示意图；附图3为本发明的稳流水箱和卡门涡街侧挡板的配合结构示意图；附图4为本发明的雷诺挡板和雷诺出流管的配合结构示意图；附图5为本发明的孔口管嘴出流挡板的结构示意图；附图6为本发明的转换轮盘的结构示意图；附图7为本发明的雷诺出流管挡板架的结构示意图；
附图8为本发明的卡门涡街外挡板的结构示意图；附图9为本发明的装配式流体力学综合实验装置用于雷诺实验时的装配示意图；附图10为本发明的装配式流体力学综合实验装置用于卡门涡街实验时的装配示意图；附图11为本发明的装配式流体力学综合实验装置用于孔口管嘴出流实验时的装配示意图。
[0018]
其中：1—示踪试剂盒；2—雷诺挡板；3—示踪试剂导流管；4—渐缩接口；5—雷诺出流管；6—卡门涡街侧挡板；7—雷诺出流管支架；8—雷诺出流管挡板架；9—无级流量阀；10—转换轮盘；11—卡门涡街扰流物；12—回水过滤槽；13—卡门涡街外挡板；14—孔口管嘴出流挡板；15—弧形溢流坝；16—稳流出水管；17—稳流进水管；18—数显设备间；19—可控无级调速器；20—回水管道；21—无水泵间；22—蓄水箱；23—水泵；24—稳流水箱；25—开口侧壁板；26—开口；27—挡板插槽；28—稳流抽屉。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
[0020]
如图1-3所示：一种装配式流体力学综合实验装置，包括实验平台，在实验平台的一端上方放置有稳流水箱24且在稳流水箱24的正下方设有位于实验平台内腔中的蓄水箱22，蓄水箱22内的水泵23通过稳流进水管17为稳流水箱24供水；所述稳流水箱24朝向实验平台另一端的开口侧壁板25上设有开口26，且开口侧壁板25的内侧设有用于插入相应实验挡板以封闭开口26的挡板插槽27，挡板插槽27和相应的实验挡板之间采用卯榫结构连接且挡板插槽27的外侧壁为开口侧壁板25；该开口侧壁板25外侧的实验平台上用于安装相应的非共用实验组件，且实验平台的另一端下侧设有回水过滤槽12，回水过滤槽12通过实验平台下方设置的回水管道20与蓄水箱22相连接。
[0021]
如图1、2、3所示，为了提高稳流水箱24的性能，在稳流水箱24内设有弧形溢流坝15，弧形溢流坝15将稳流水箱24的内腔分割为稳流区和溢流区，溢流区的底部通过稳流出水管16与蓄水箱22相连通；稳流区内设有稳流机构且稳流进水管17设置在稳流机构和弧形溢流坝15之间的稳流区底部。稳流机构采用稳流抽屉28或多重通孔错位式稳流板，稳流抽屉28中填充的颗粒为二氧化硅颗粒或其他材质的球形颗粒；稳流抽屉28将稳流过程集中化，可以调整的稳流抽屉28提出式设计具有容易清理、容易保存、易于设备维护的特点。
[0022]
进一步的说，蓄水箱22内设有用于放置水泵23的无水泵间21，水泵23的抽水口伸出无水泵间21外的蓄水箱22中且水泵23的出水口与插入无水泵间21内的稳流进水管17的底端相连接；所述的蓄水箱22上设有数显设备间18且数显设备间18内设有与水泵23通过线路相连接的可控无级调速器19以控制水泵23。
[0023]
下面，通过三个具体的实验来进一步阐述本发明提供的装配式流体力学综合实验装置。
[0024]
实施例一 雷诺实验如图9所示进行装配，在挡板插槽27处插有用于雷诺实验的雷诺挡板2（如图4所示），雷诺挡板2的渐缩接口4的扩大侧通过示踪试剂导流管3与设置在稳流水箱24顶部的示踪试剂盒1相连接、渐缩接口4的缩小侧与雷诺出流管5的一端相连通，雷诺出流管5的另一端带有无级流量阀9；同时，实验平台上设有支撑雷诺出流管5的雷诺出流管支架7和雷诺出流管挡
板架8（如图7所示），雷诺出流管挡板架8布置在无级流量阀9的内侧。
[0025]
雷诺实验的步骤如下：（1）向蓄水箱22提供足够量的水，接通电源，开启水泵23通过稳流进水管17给稳流水箱24供水；（2）当稳流水箱24内的水与弧形溢流坝15高度持平并开始溢流后，轻轻打开无极流量阀（9），使雷诺出流管5通过小流量水流，再打开示踪试剂盒1的开关，使示踪试剂流入雷诺出流管5；（3）通过调节无极流量阀9缓慢增大流量，仔细观察层流和紊流现象；（4）从小到大缓慢调整流量，在达到临界流速时(即流态开始转换时)，计算测定其雷诺数；（5）实验结束，关闭示踪试剂盒1的开关，关闭水泵23，断开电源。
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实施例二 卡门涡街实验如图10所示进行装配，在实验平台上固定有两卡门涡街侧挡板6，两卡门涡街侧挡板6的一端密封连接开口侧壁板25、另一端采用卡门涡街外挡板13（如图8所示）封闭构成一条顶部开口的封闭渠道，且固定在实验平台上的卡门涡街外挡板13的高度低于卡门涡街侧挡板6的高度；上述封闭渠道内放置的卡门涡街扰流物11通过示踪试剂导流管3与设置在稳流水箱24顶部的示踪试剂盒1相连接。
[0027]
卡门涡街实验的步骤如下：（1）向蓄水箱22提供足够量的水，接通电源，开启水泵23通过稳流进水管17给稳流水箱24供水；（2）当卡门涡街实验外挡板13开始溢流后，开启示踪试剂盒1的开关使示踪剂通过示踪剂导流管3流入卡门涡街扰流物11处，调整水泵23的流量，直到能在卡门涡街扰流物11周围看到示踪试剂表现出的卡门涡街现象；（3）观察现象并记录；（4）实验结束，关闭示踪试剂盒1的开关，关闭水泵23，断开电源。
[0028]
实施例三 孔口与管嘴出流实验如图11所示进行装配，在挡板插槽27处插有用于孔口与管嘴出流实验的孔口管嘴出流挡板14（如图5所示），孔口管嘴出流挡板14上设有带多个孔口管嘴的转换轮盘10；或者在挡板插槽27处插有用于孔口与管嘴出流实验的孔口管嘴出流挡板14，孔口管嘴出流挡板14上设有带多个孔口管嘴的转换轮盘，且实验平台上固定有密封连接开口侧壁板25的两卡门涡街侧挡板6，两卡门涡街侧挡板6构成的渠道将孔口与管嘴出流实验的水流引导至回水过滤槽12。如图6所示，转换轮盘10能够在有限的空间内达到切换不同的孔口和管嘴的功能并保持出水处的高度恒定（a、b、c为不同的孔口管嘴，d为螺丝固定孔）。
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孔口与管嘴出流实验的步骤如下：（1）向蓄水箱22提供足够量的水，接通电源，开启水泵23通过稳流进水管17给稳流水箱24供水；（2）当蓄水面与弧形溢流坝15高度持平开始溢流后，转动转换轮盘10，分别将转换轮盘10上的孔口或管嘴与孔口管嘴出流挡板14上的孔洞对齐；（3）观察孔口及各管嘴水流的流股形态，因各种孔口、管嘴的形状不相同，过流阻力也
不同，从而导致各孔口、管嘴出流的流股形态也不相同；（4）实验结束，关闭水泵23，断开电源。
[0030]
稳流抽屉稳流效果调节：在实施例二所述的卡门涡街实验装置下，能够进行稳流抽屉28的稳流效果校准，使用高度为2cm的圆弹头型悬浮标，在蓄水情况下将悬浮标放置于稳流抽屉28外约2cm处，并打开升降式截止阀，使得流体处于层流状态。将悬浮标放置于不同高度，利用摄像头在50hz或60hz摄像情况下计算悬浮标0.5s时的加速度，调整稳流抽屉28内的颗粒使得各高度下加速度相同完成稳流效果调整。
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相对于现有的综合实验装置，本发明的组件构成清晰且稳定、加工难度极低、维护费用较低、可拓展性强、能够满足常见的流体力学实验要求、连接管件数量低、装置调整快且装配精细度要求低。本发明的综合实验装置的连接除箱体部分外，一般采用物理方式进行阻断水流、分隔空间的方式，如插槽式设计。挡板插槽27和相应的实验挡板之间的卯榫结构连接可替换的方案为法兰连接、磁吸连接等，卯榫结构为不同实验的非共用组件的连接提供了一种可基于不同实验需求开发其他实验组件的通用方案；可拆卸式挡板如卡门涡街侧挡板6、雷诺出流管挡板架8、卡门涡街外挡板13选用螺丝固定、法兰连接、夹具夹持、磁吸连接、侧面卡扣固定式接口、板把式快速连接等，可拆卸式挡板设计便于实验装置的清洗、维护、收纳和运输。
[0032]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。