一种流体力学及流体机械多功能可视化实验装置

本发明涉及一种流体力学及流体机械多功能可视化实验装置，属于流体力学实验和流体机械实验。

背景技术：

1、流体机械实验主要是以流体为工质进行能量转换的机械实验，它包括两大类，一类是将流体的能量转变为机械能并输出轴功率的称为原动机，如水轮机和汽轮机等；另一类是将机械能转变为流体的能量，使流体增压并输送的称为工作机，如泵和压缩机等。

2、随着科技的不断进步，流体机械实验的设备也在不断更新，实验设备的精度和稳定性得到了提高。随着传感器和控制技术的不断发展，流体机械实验的技术也在不断创新，实验的自动化程度得到了提高。随着流体机械实验技术的不断提高，实验的应用范围也在不断扩大，不仅在传统的能源、化工等领域得到了广泛应用，也在新能源、环保等领域得到了广泛应用。

3、流体力学是研究流体在外力作用下的平衡和运动规律的一门科学。流体力学实验是流体力学教学学习过程中的一个重要环节，对培养学生的实践能力，提高学生的观察分析能力、学用结合能力和创新思维能力具有重要的作用。在流体力学实验台可完成沿程阻力系数测定、局部阻力系数测定、雷诺实验、伯努利方程实验等。

4、然而，由于流体力学及流体机械实验台没有定型产品，各院校使用的都是定制化的非标产品，主要存在以下问题：

5、(1)装置功能单一。现有的流体力学和流体机械课程中的实验是分别在两套装置上开展的，现有装置的功能相对比较简单。因此，将两门课程中的实验集成到一套装置中具有重要意义。

6、(2)现有装置无法可视。实验室现有流体机械实验装置只能做离心泵的外特性实验，无法看清泵内部流动。因此，研究设计既保证泵的可拍摄性能又保证泵的水力性能，同时还要保证该泵的强度是十分必要的。

7、(3)现有装置体积庞大。实验室现有流体机械实验装置占地面积较大，有限的实验空间无法容纳多台套实验装置。因此，解决现有装置占地面积大，实验场地紧张的问题迫在眉睫。

8、上述问题严重影响实验教学的顺利进行，其教学能力与教学效果上的不足更为凸显。因此，为提高流体力学和流体机械实验教学的质量与效率，满足新形势下实验教学改革的需要，迫切需要对其进行改造与优化。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种可进行流体力学及流体机械实验的装置。

2、为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种流体力学及流体机械多功能实验装置，包括电机和与电机传动连接的微型离心泵；还包括管路系统和数据测量系统。

3、所述管路系统包括泵进口管路、泵出口管路、流体力学实验进口管路、流体力学实验出口管路、流体力学实验管路、储水罐和恒压溢流水箱；

4、所述数据测量系统包括u型管压差计、计量罐、测压计和转速传感器；

5、所述微型离心泵、泵进口管路、第一储水罐和泵出口管路依次连接，形成循环回路；

6、所述流体力学实验进口管路连接于泵出口管路上，若干流体力学实验管路并联于流体力学实验进口管路和流体力学实验出口管路之间，流体力学实验出口管路与第二储水罐连接，第二储水罐与恒压溢流水箱连接，恒压溢流水箱与流体力学实验进口管路连接；

7、所述u型管压差计与微型离心泵的进出口连接，第一计量罐设置于泵出口管路上，第二计量罐设置于流体力学实验出口管路上，流体力学实验管路上设有若干测压点，所述测压计连接于测压点上，转速传感器设置于电机上。

8、对上述技术方案的进一步设计为：所述泵出口管路在第一储水罐前后分别设有流体机械实验变流阀门和泵出口流量调节阀，泵进口管路上设有泵进口流量调节阀；

9、所述流体力学实验进口管路靠近泵出口管路处设有流体力学实验变流阀门，第二计量罐与第二储水罐之间的管路上设有回水阀，恒压溢流水箱与流体力学实验进口管路之间设有溢流水箱出水阀。

10、所述流体力学实验管路包括伯努利实验管、局部阻力实验管和雷诺—沿程阻力实验管。

11、所述伯努利实验管包括位于中部的伯努利异径管和设置于伯努利异径管前后两侧的伯努利管进口调节阀和伯努利管出口调节阀。

12、所述局部阻力实验管包括位于中部的局部阻力突然扩大管和设置于局部阻力突然扩大管前后两侧的局部阻力管出口调节阀和局部阻力管进口调节阀。

13、所述雷诺—沿程阻力实验管上设有雷诺—沿程阻力管进口调节阀和雷诺—沿程阻力管出口调节阀。

14、所述恒压溢流水箱中设有一溢流板，溢流板将恒压溢流水箱分隔为进水腔和回水腔，恒压溢流水箱分别通过上水管和回水管与第二储水罐连接，第二储水罐内设有水泵，用于将第二储水罐内介质泵入恒压溢流水箱；上水管与进水腔连接，回水管和回水腔连接；所述进水腔内设有两带孔隔板，流体力学实验进口管路与进水腔连接。

15、所述第一储水罐内液面高于微型离心泵的位置。

16、所述微型离心泵外壳以及管路系统的管路均采用透光的有机玻璃制成。

17、所述实验装置还包括高速摄像系统，高速摄像系统包括高速摄像机、冷光源和监视器，所述冷光源照射微型离心泵，高速摄像机对微型离心泵进行拍摄并将拍摄到的画面传输到监视器进行呈现。

18、相比现有技术，本发明具有以下优点：

19、(1)本发明的实验装置充分考虑到流体力学实验和流体机械实验之间的共通关系，将流体力学和流体机械课程中的多个实验进行了集成，实现了装置功能的集成化，一套装置可开展多个实验，从而节省了实验设备经费的投入。

20、(2)本发明实验装置的过流部件，微型离心泵和管路均采用有机玻璃制造，使整个流域的流动基本实现了可视化，能够更直观地了解流动的规律，掌握流动的相关理论。

21、(3)本发明实验装置体积较小，可以节省实验场地；且为模化实验的开展创造了条件，可以将小型泵上得到的实验结果与真实泵的性能进行比较，验证模化理论的正确性。

技术特征：

1.一种流体力学及流体机械多功能实验装置，包括电机（18）和与电机（18）传动连接的微型离心泵（19）；其特征在于：

2.根据权利要求1所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述泵出口管路（26）在第一储水罐（27）前后分别设有流体机械实验变流阀门（21）和泵出口流量调节阀（24），泵进口管路（23）上设有泵进口流量调节阀（25）；

3.根据权利要求2所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述流体力学实验管路（43）包括伯努利实验管（3）、局部阻力实验管（10）和雷诺—沿程阻力实验管（16）。

4.根据权利要求3所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述伯努利实验管（3）包括位于中部的伯努利异径管（4）和设置于伯努利异径管（4）前后两侧的伯努利管进口调节阀（5）和伯努利管出口调节阀（2）。

5.根据权利要求4所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述局部阻力实验管（10）包括位于中部的局部阻力突然扩大管（9）和设置于局部阻力突然扩大管（9）前后两侧的局部阻力管出口调节阀（31）和局部阻力管进口调节阀（11）。

6.根据权利要求5所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述雷诺—沿程阻力实验管（16）上设有雷诺—沿程阻力管进口调节阀（15）和雷诺—沿程阻力管出口调节阀（30）。

7.根据权利要求1所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述恒压溢流水箱（14）中设有一溢流板（47），溢流板（47）将恒压溢流水箱（14）分隔为进水腔和回水腔，恒压溢流水箱（14）分别通过上水管（38）和回水管（39）与第二储水罐（40）连接，第二储水罐（40）内设有水泵，用于将第二储水罐（40）内介质泵入恒压溢流水箱（14）；上水管（38）与进水腔连接，回水管（39）和回水腔连接；所述进水腔内设有两带孔隔板（13），流体力学实验进口管路与进水腔连接。

8.根据权利要求1所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述第一储水罐（27）内液面高于微型离心泵（19）的位置。

9.根据权利要求1所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：所述微型离心泵（19）外壳以及管路系统的管路均采用透光的有机玻璃制成。

10.根据权利要求1所述流体力学及流体机械多功能实验装置，其特征在于：还包括高速摄像系统，高速摄像系统包括高速摄像机（46）、冷光源（45）和监视器（44），所述冷光源（45）照射微型离心泵（19），高速摄像机（46）对微型离心泵（19）进行拍摄并将拍摄到的画面传输到监视器（44）进行呈现。

技术总结
本发明提供一种流体力学及流体机械多功能可视化实验装置，主要用于流体力学实验和流体机械实验，本装置将流体力学和流体机械课程中涉及的多个实验集成在一套装置上，实现了装置的小型化、可视化和功能集成化。该装置主要包括：动力传动系统、管路系统、模型泵、数据测量系统、高速摄像系统。动力传动系统为微型离心泵提供稳定运行动力。管路系统的布置采用循环水路，能够实现流体力学和流体机械课程中多个实验的功能，且测量精度高，操作方便。模型泵采用有机玻璃加工。数据测量系统测量微型泵运行时的进、出口压力和各测压点的压力，分析后得到泵的外特性和各流体力学实验结果。高速摄像系统可对泵内部流动进行测量，并分析得到其流动规律。

技术研发人员：邵春雷,刘洋,周剑锋,龚兴,杨硕
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17