组合式水力学综合教具的制作方法

专利名称：组合式水力学综合教具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水力学教学用具，是一种可直接在课堂上直观演示多种水力学教学内容的组合式教学用具。
现有的水力学教学用具已开始向组合化，综合化的趋向发展，如CN88201133介绍的“水力学、传热学综合实验台”，特点是将伯诺利方程式，雷诺实验及阻力实验三个水力学实验系统组合在一个实验台上，但该实验装置开出的实验项目还太少，存在着尺寸大，结构复杂，成本高，不能进入教室帮助课堂教学的缺点；其中伯诺利方程式实验系统上只有不同直径实验管的起、止断面上有测压管，学生从实验中不能看出实验管内压强大小沿流动方向上的连续变化规律，由于测压管只能显示正的相对压强，学生很难理解管道中压强为真空度时又是什么样的变化规律。
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种能直观演示多种水力学教学内容的组合式综合教学用具，满足整个水力学课程直观教学的需要。
本实用新型是根据水静压强大小和分布规律与容器尺寸大小和形状无关，水动力学参数变化服从相似原理，并针对水力学教材内容中有关重点、难点内容的形象化教学方法而设计出来的。全套教具组件包括稳压水箱(4)，示教板支架(2)，水箱支架(86)，以及为实现一定演示目的而设计的各种示教板及其配件。为使教具小巧且演示直观，固定在示教板上的各演示系统均采用玻璃直管(54)，玻璃U形管(48，49)，玻璃管三通(52，53)，玻璃管弯头(51)，胶管(55)等按需要作为实验或输水管道；各实验中采用的主容器(50)，各种配件即各种演示管(计)和稳压水箱也采用有机玻璃制成。在进行教学演示时，根据演示需要选出的示教板插入示教板支架(2)的导向槽内，通过胶管(55)将示教板上的实验或输水管的进口端与水准瓶(81)，或血压计球(82)，或稳压水箱(4)底端的出水管咀(43)连接组合构成完整的演示系统。所有的示教板共用一个示教板支架。示教板及配件，稳压水箱及其支架可全部整齐的放进教具箱内。
同现有技术相比，本实用新型有如下优点1、单件多用，组合演示，功能齐全，可以开出各种各样的有关水力学中基本概念和基本规律的教学演示实验。
2、教具轻便小巧，能进入课堂配合讲课，直观性强，能达到很好的教学效果，如对学生最难理解的“真空度”压强概念，在多项演示中均能使其直观显示。
3、教具的所有组件不用时可全部存放入同一只教具箱内，维护、保管携带均很方便。
4、教具结构简单，成本低廉。
本实用新型有如下附图附


图1是教具各组件在教具箱内的布置示意图；附图2为示教板支架示意图；附图3为稳压水箱支架示意图；附图4为稳压水箱及其组件示意图；附图5为水静压强特性示教板(5)的示意图；附图6为压强传感器(30)的剖面示意图；附图7为连通器等压面示教板(6)的示意图；附图8为连通器压强平衡示教板(7)的示意图；附图9为液压计性能示教板(8)的示意图；附
图10为复式液压计示教板(9)的示意图；附
图11为相对压强示教板(10)的示意附
图12为水静压强直线分布示教板(11)的示意图；附
图13为液体比压能示教板(12)的示意图；附
图14为静压力水头示教板(13)的示意图；附
图15为液体相对静止示教板(14)的示意图；附
图16为流线示教板(15)的示意图；附
图17为液流能量及其转换示教板(16)的示意图；附
图18为连续方程式示教板(17)的示意图；附
图19为伯诺利方程式示教板(18)的示意图；附图20为伯诺利方程式演示管(28)的纵截面示意图；附图21为伯诺利方程式演示时的组合示意图；附图22为缩放管压头线示教板(19)的示意图；附图23为缩放管(29)的纵截面示意图；附图24为压力管路真空度示教板(20)的示意图；附图25为液流动量方程式示教板(21)的示意图；附图26为空气压差计示教板(22)的示意图；附图27为文德里流量计(33)的纵截面示意图；附图28为孔板流量计(34)的纵截面示意图；附图29为局部阻力实验管(35)的纵截面示意图；附图30为沿程阻力实验管(36)的纵截面示意图；附图31为进行文德里流量计实验、孔板流量计实验、沿程阻力实验、局部阻力实验时的组合示意图；附图32为管路阻力综合分析示教板(23)的示意图；附图33为长输水干线示教板(24)的示意图；附图34为长输油干线示教板(25)的示意图；附图35为并联管路示教板(26)的示意图；附图36为分支管路示教板(27)的示意图；附图37为雷诺实验仪(31)的示意图。
以下结合附图，给出本实用新型的一个实施例，并结合附图加以说明。在本实施例中，共有示教板二十三个，可以组合出二十九种课堂水力学教学演示实验。
附
图1是教具各组件在教具箱内的布置示意图。图中教具箱(1)的尺寸大小为630×580×505mm。教具箱隔板(37)将箱体隔成四个部分，分别装有稳压水箱(4)，流线演示仪(32)，示教板支架(2)，稳压水箱支架(86)，伯诺利方程式演示管(28)，缩放管(29)，压强传感器(30)，文德里流量计(33)，孔板流量计(34)，局部阻力管(35)，沿程阻力管(36)，水准玻璃瓶(81)，血压计球(82)，塑料水桶(88)，以及350×500mm的示教板八块，250×500mm的示教板十五块。各示教板由定位角铁块(38)分隔定位。
附图2为示教板支架示意图。示教板支架(2)为一带有底板和三角撑板的框架，框架上对称固定有四个定位角铁块(39)作导向槽，可将示教板插入，供演示用。
附图3为稳压水箱支架示意图。该支架(86)由正方形铝板平顶盖和可收折的铝合金脚架组成。工作时顶盖下端的裙边可以控制脚架的张开角度并保持稳定，不工作时，顶盖可以取下并与收折后的脚架一齐存入教具箱(1)内。
附图4为稳压水箱及其组件示意图。图中稳压水箱(4)为有机玻璃管材制成的圆筒容器，顶盖上的一侧有一开口通大气的加水槽(41)，由底端带有小孔的有机玻璃隔板(85)直插箱底后，其上端与水箱的侧壁构成。水箱(4)内有两块固定在箱底上，与隔板(85)平行的板，紧靠隔板(85)的是底端带有小孔的滤波板(83)，另一块是其上布满小孔的减振筛板(84)，它们的作用是减少在工作中外界大气进入水箱时，气泡对箱内水面的振动。水箱顶盖上有一排气嘴管(44)，水箱外侧壁下部固定有金属加工制成的孔口、管咀板(42)，其上有一个出口为剌叭形的薄壁孔口(87)和一个标准圆柱管咀(43)，直接利用水箱和其上的孔口、管咀板(42)便可开出孔口和管咀出流实验；即可进行孔口、管咀水流现象的演示；与示教板(5)组成管咀真空度演示以及测定孔口、管咀的流量系数。稳压水压(4)除在孔口、管咀出流实验中作一般供水容器外，在水动力学演示，阻力实验和流量计实验中也作为稳压供水容器用，此外，还在水静压强特性演示中和雷诺实验中作一般开口容器用。
附图5为水静压强特性示教板(5)的示意图。图中示教板(5)上固定有一个U形玻璃管(48)。
附图6为压强传感器(30)的剖面示意图。图中压强传感器(30)由一铜管(70)，插在一开口端面上蒙有胶皮薄膜(72)的小圆筒侧壁上构成。
在进行水静压强特性演示时，用胶管将压强传感器的铜管(70)和示教板(5)上的U形管(48)连通，将传感器(30)下端小圆筒(71)插入稳压水箱(4)的加水开口槽(41)内，将传感器(30)在水箱底部移动或转动或沿竖直方向上下移动时通过液压计可以观察到由胶皮薄膜(72)所感应的静水压强的变化规律，即静止液体内部压强沿深度正比例增大，在同一平面上以及同一位置各方向上压强大小相等。
图7为连通器等压面示教板(6)的示意图。图中示教板(6)上安装两个U形管(48，49)，U形管(48)内装红色水，U形管(49)内装有红色水和浅黄色煤油。该示教板演示出装有同一种连续静止液体的U形管(48)内两个通大气的液面一样高，而装有两种液体的U形管(49)内的液面就不一样高。U形管(49)下面有坐标纸高度读尺，可读出两分液界面(为等压面)以上油柱和水柱的高度。据水的密度利用等压面上压强相等的规律可以测算出油的密度(ρ油gh油＝ρ水gh水)为0.8克／厘米3。
图8为连通器压强平衡示教板(7)的示意图。图中示教板(7)上安装着由主容器(50a)、玻璃直管(54)、玻璃管三通(52)和玻璃管90°弯头(51)构成的演示系统，其中主容器(50a)上方有一弹簧止水夹(56)，侧边有玻璃直管(54)作的测压管，由玻璃直管(54)，玻璃管90°弯头(51)，玻璃三通(52)组成的环形管道，上端有一弹簧止水夹(56)，下端有一螺丝止水夹(57)，主容器(50a)底端与环形管道的底端连通，并通过一玻璃管90°弯头(51)与一上端开口的玻璃直管(54)连接。演示时，接上一只带胶管的水准瓶，操作水准瓶(瓶内装有红色水)的不同高度和控制各个止水夹的开关状态，可以让示教板上出现各种随意的液面变化情况。但在任一种平衡(液面静止)状态下，根据连通器等压面的条件，用水静力学基本方程式从左边算出主容器内液面的压强P0(P0＝ρ水g(V1－V0)应和右边算出主容器内液面的压强P0｛P0＝ρ水g［(V2－V3)＋(V4－V0)］｝相等，从而证明了连通器压强平衡方程式P1±ερi△hi＝P2的正确性。演示中最佳方案是控制成P0＞Pa，P0＜Pa和P0＝Pa三种典型平衡状态。
附图9为液压计性能示教板(8)的示意图。图中示教板(8)上安装着由三个U形管，通过玻璃90°弯头(51)。玻璃管三通(52)和胶管(55)，将其测量端组成并联后，共同以一根玻璃管与血压计球(82)上的胶管连通。演示时U形管(49)中装红色水，其邻近的U形管(48)中也装红色水，另一个U形管(48)中装有水银。三个U形管内的液面一样高。当用血压计球向三个U形管同时压入气体时，示教板上直观显示了两个粗细不同的水液压计读数△h相同，而水银液压计读数则小得多，为前者的十三点六分之一。此演示实验证明液压计读数与U形管的粗细和形状无关的重要规律，对纠正学生中认为同样压强条件下，粗U形管液压计读数应减小的错误观点具有说服力。
附
图10为复式液压计示教板(9)的示意图。图中示教板(9)上安装着由主容器(50a)，U形管(48)，三通玻璃管(53)，压力表(58)，玻璃管90°弯头(51)，胶管(55)和止水夹(56)组成的复式液压计演示系统。三个装水银的U形管通过三通玻璃管和胶管组成串联方式后再与主容器连通。当用血压计球向主容器内液面以上压入气体时，压力表和各个U形管液压计均出现压强读数，用连通器压强平衡方程式从右边液压计算出的主容器内液面压强P0可与压力表上读数比较。此演示能让学生了解复式液压计的结构、工作原理和读数计算方法。
附
图11为相对压强示教板(10)的示意图。图中示教板(10)上安装着主容器(50b)，主容器上、下两侧各有一管咀，其中一侧管咀通过玻璃管90°弯头(51)与U形管(48)连接，其余管咀上均有弹簧止水夹(56)。演示时，先将内装红色水的水准瓶的出水胶管与主容器下端的玻璃管连通，打开主容器上、下端的止水夹，上升水准瓶，待主容器内充满红色水以后，关闭上端的止水夹。根据同一等压面高度相同的规律，上升水准瓶，当瓶内液面高于主容器右边水平玻璃管时，打开出口处止水夹，主容器内红色水经该玻璃管向外流出，说明容器内A点相对压强大于零。当下降水准瓶高度，使瓶内液面低于主容器右边的水平玻璃管时，应是A点压强小于大气压强，打开出口处止水夹，可直观看出不是水向外流出，而是外界空气进入主容器。当控制水准瓶内液面正好与主容器右边出水管一样高时，应是A点相对压强等于零，即内外压强相等的平衡状态，此时打开出口处止水夹可以直观显示出主容器内的水不流出，外界空气亦不流进去的压强平衡现象。此演示对帮助学生理解相对压强的概念，纠正那种认为密封器中的液体内部压强一定不会出现真空度或认为一切容器内液面上相对压强均为零的错误观点很有帮助。此教具的关键是主容器(50b)右边小直径出水玻璃管，在液体自身表面张力效应下，能在内外压强相等条件下演示出管口处水不出，空气不进的平衡现象。
附
图12为水静压强直线分布示教板(11)的示意图。图中示教板(11)上安装着主容器(50c)，主容器上、下各有一管咀和止水夹(56)，侧壁上竖直排列四个管咀，通过玻璃管90°弯头(51)，玻璃直管(54)和胶管(55)分别与梳筚形测压管(59)的开口端连接。演示时将水准瓶上的输水胶管与主容器下端的管咀连通，先打开主容器上、下两个止水夹，上升水准瓶，让红色水逐渐充满容器以后，关闭上端的止水夹。改变水准瓶的高低位置，在任一种平衡状况(液体静止)下，从示教板右边梳篦测压管液面所显示出主容器侧壁上沿竖直方向等距离的a、b、c、d四点的水静压强变化是直线规律。根据连通器等压面的概念，演示时可以控制成三种典型平衡状况，一是瓶中液面高于d点(a、b、c、d四点相对压强为正)，二是瓶中液面位于b、c两点之间(a、b两点相对压强为正，c、d两点相对压强为负)，三是瓶中液面位于a点以下(a、b、c、d四点相对压强均为负值)。此演示实验，揭示了水静压强沿深度直线增大的规律，不受压强计算所取不同基准(绝对压强，相对压强)的影响，可帮助和加深对水静力学基本方程式物理意义的理解。此教具的关键是梳筚形测压管，它将四个U形管液压计并联为一个整体，结构简单了，又能使四个读数△h转换在同一起始水平面(通大气的一根测压管内的液面)上，从而直观地显示了该四点水静压强大小的变化规律。
附
图13为液体比压能示教板(12)的示意图。图中示教板(12)上安装着由主容器(50d)、测压玻璃管(54)、玻璃管90°弯头(51)和胶管(55)所组成的液体比压能演示系统。演示时先将血压计球上的胶管与主容器上端的导压管咀连通，当用血压计球向主容器内压入空气时，主容器内红色水内部压强增大，红色水将沿竖直的测压玻璃管上升一段高度。此演示直观地显示出液体压能转换为位能的物理现象，同时由水静力学基本方程式和位能计算公式，可以推导出液体比压能的计算公式为P／ρg(由位能＝压能＝mgh和P＝ρgh，得比压能＝压能／重量＝mgh／mg＝h＝P／ρg)。
附
图14为静压力水头示教板(13)的示意图。图中示教板(13)上安装着由主容器(50e)、U形玻璃管(48)、玻璃管90°弯头(51)、胶管(55)和止水夹(56)组成的静压力水头演示系统。演示时，先将水准瓶输水胶管与主容器下端的导压管咀连通，打开主容器上、下端的止水夹，上升水准瓶，等红色水先后进入左右两根U形管内，并快充满主容器时，关闭上端的止水夹。升、降水准瓶于任一高度保持平衡时，两根U形管通大气的液面均与水准瓶中液面一样高，它直观显示出主容器内不同位置的A、B两点，由于位置高度不同，压强大小也不相同，但它们的测压管水头(Z＋P／ρg)是相等的。以示教板底板为基准水平面，可以演示三种典型状况，一是瓶中液面高于A、B两点以上(此时ZA、ZB、PA／ρg，PB／ρg均为正值)，二是瓶中液面位于A、B两点之间(此时，ZA、ZB为正，而PA／ρg为正，PB／ρg为负)，三是瓶中液面位于A、B两点以下(此时，ZA、ZB为正，而PA／ρg和PB／ρg均为负)。此演示能帮助学生理解测压管水头的物理意义和帮助学生掌握测压管水头是按相对压强计算的方法。此教具的关键是采用U形管作为A、B两点压强大小的测压管，可以显示出正、负两种相对压强。如改用单一的直玻璃测压管则不能显示出负的相对压强。
附
图15为液体相对静止示教板(14)的示意图。图中示教板(14)上有旋转活动板(60)、转轴(61)和固定在活动板上的梳筚形测压管(59)组成液体相对静止演示系统。当示教板在水平面上沿梳筚测压管所在平面方向匀加速移动时，测压管内红色水液面将变成向移动前进方向低下的倾斜平面。当用手指匀速转动转轴时，活动板随之转动，测压管液面变成一条中心低下、两边升高的抛物曲线。此演示说明了液体在相对静止条件下，等压面的特定形状。此教具以梳筚形测压管代替了笨重的圆筒水箱，结构简单，成本低，不耗电能而演示真实、直观。
附
图16为流线示教板(15)的示意图。图中示教板(15)上安装有有机玻璃流线显示仪(32)，该显示仪由两块平行有机玻璃板(73)、薄胶板(46)、有机玻璃加水漏斗(47)和铜螺栓(78)组成，加水漏斗(47)在两平行有机玻璃板外侧上端，漏斗底部内侧的平行有机玻璃板上各有一排均匀分布的流线孔(78)，但两块板上流线孔的位置水平相互错开，两平行板间垫有薄胶板(46)，胶板中部挖空，与平行有机玻璃板构成边缘密封的夹层空间。演示时，将流线显示仪下湍出水管咀(45)接上带螺丝止水夹的排水胶管，用水准瓶通过该排水胶管自下而上缓慢地将清水注入夹层，排除其中空气，直至清水进入上端的加水漏斗底部，关闭排水胶管上的止水夹。从上端将清水加入加水漏斗中至快满时为止，打开螺丝夹少许，待清水产生缓慢流动以后，用胶皮头吸管从上端向一个加水漏斗中加入1～2毫升浓红墨水，红色流线即可出现。此演示能直观显示出流线互不相交，且永为光滑曲线的水力特性，夹层中部有一圆形薄胶板，而夹层边缘薄胶板垫的开口断面变化处是直角，不是圆角，这能使演示流线在边界为非曲线形状时仍为光滑曲线的重要特性。
附
图17为液流能量及其转换示教板(16)的示意图。图中该演示系统由示教板(16)、血压计球(82)和示教板支架(2)组成。示教板(16)下端有一主容器(50d)，其侧边有一管咀与玻璃管90°弯头(51)及玻璃直管(54)构成的向上输送水的管道，管道的出口有一水轮模型(3)，水轮模型装在有机玻璃水轮罩(63)内，水轮罩(63)下端与主容器上端的管咀连通，其间包括一弹簧止水夹(56)和一接血压计球(82)的玻璃管三通(52)。演示时先关闭水轮罩(63)下面连接胶管上的止水夹，将血压计球排气胶管与主容器上端的玻璃管三通(52)连通，用血压计球向主容器内压入空气，红色水在压力作用下将沿着向上输水管道上升并冲动水轮模型转动。此演示直观而生动地说明了液体具有位能、压能和动能三种形式的机械能，并能在一定外界条件下，发生相互转换。
附
图18为连续方程式示教板(17)的示意图。图中示教板(17)上安装着上端开口、中间通道变窄的主容器(50f)，竖直玻璃管(54)，玻璃管90°弯头(51)和胶管(55)组成的连通器。演示时先将水准瓶的输水长胶管(1.5M左右)与示教板上竖直玻璃管上端连通。打开胶管上的螺丝止水夹，升高水准瓶，让红色水进入示教板上的竖直玻璃管，并自下而上充满主容器时关闭螺丝止水夹，将水准瓶放置到比示教板低得多的教室地板上，打开螺丝止水夹少许，可以直观看出红色水液面在主容器内下降和在竖直玻璃管中上升的整个过程中，液面移动速度的大小与通道断面积大小成反比关系，即大断面处流速小，小断面处流速大。此演示以巧妙的方式显示了断面平均流速的变化规律，有助于学生理解液流连续方程式的物理意义及巩固连续方程式的计算方法。
附
图19为伯诺利方程式示教板(18)的示意图。图中示教板(18)背面中部的水平槽孔中安装着有机玻璃伯诺利方程式演示管(28)，示教板正面安装着至少九根竖直的测压玻璃管(54)，其下端有导压胶管(55)与背面演示管上的各个导压管咀(80)相连通，构成U形测压管。
附图20为伯诺方程式演示管(28)的纵截面示意图。图中伯诺利方程式演示管(28)的内径分三段，中间小、两头大，每段上有至少三个均布的导压管咀(80)，最后一个导压管咀紧靠演示管(28)的末端。
附图21是进行伯诺利方程式演示时的组合示意图。演示时，用胶管将稳压水箱(4)和伯诺利方程式演示管(28)连通。先打开流量调节螺丝止水夹(57)少许，在有水流动的情况下，用手指逐一挤压各测压管下部导压胶管(55)，排尽其中的空气后，再适当开大止水夹，使流量增大并保持稳定流动。示教板(18)正面各测压管(54)内的液面显示出了演示管内的压头线形状，等径管段的压头线为沿流向倾斜下降的直线，直径较大的管段压头线坡度较小，水流断面缩小处，压强下降，水流断面扩大处压强上升，出口断面通大气，测压管(54)的液面与出口断面中心一样高，中间一段小直径管段出现真空度，即测压管内液面低于管道中心线。如果用秒表、量杯测出流量，算出各管段中平均流速，可以在压头线以上进一步绘出水头线。此演示直观地说明了液流三种机械能量既保持总量守恒又随外界条件产生相互转化的重要规律。
附图22是缩放管压头线示教板(19)的示意图。图中示教板背面中部水平槽孔中安装着有机玻璃缩放管(29)，示教板正面的竖直测压玻璃管(54)下端有导压胶管(55)与背面缩放管上的各个导压管咀(80)相连通，构成U形测压管。
附图23为缩放管(29)的纵截面示意图。图中缩放管(29)上有均匀布置的导压管咀(80)，缩放管的直径两端大，逐渐向中间缩小。演示时缩放管(29)出口直接通大气，进口用输水胶管与稳压水箱(4)下部的管咀(43)连通。先打开输水胶管上螺丝止水夹少许，在产生水流的情况下，用手指挤压各测压管下部导压胶管，排尽其中的空气。开大螺丝止水夹，增大流量并保持稳定流动后，各测压管(54)内液面将显示出缩放管压头线是两端较高中间最低的两段向上凸起的曲线，由于出口通大气，对应的测压管液面始终与出口断面中心一样高，因此缩放管(29)内出现负的相对压强，压头线在管中心线以下，直径最小的喉部断面上真空度最大。此演示直观显示了理论上不易证明的关于缩放管中液流压头线的形状，如果测出流量计算出缩放管起、止断面和最小中间断面上的平均流速，可以绘出水头线的形状。在断面缩小管段中流速增大，水力坡度沿流向变大，在断面扩大管段中流速很快减小，水力坡度沿流向减小，因此水头线在断面缩小段为向上凸起的下降曲线，断面扩大管段的水头线为向下凹的下降曲线。
附图24为压力管路真空度示教板(20)的示意图。图中示教板(20)上安装着直玻璃管(54)、玻璃管90°弯头(51)、玻璃管三通(52)、胶管(55)、止水夹(56、57)组成的末段竖直向下的输水管路。演示时用输水胶管将稳压水箱(4)和示教板(20)上的输水管路连通，在有较大水流量并保持满管水流的情况下，打开输水管上端的止水夹(56)，可以直观地看到有空气不断向管内流入。调节管路出口处螺丝夹的开度，当开度很小，阻力很大，流量很小时，打开上端止水夹(56)，有水向外流出，当逐渐开大螺丝夹到某一程度时，输水管上端可出现打开止水夹后水不出、空气不进入的平衡状态。此演示帮助学生用伯诺利方程式分析末段竖直管路上端压强随该段水头损失大小而变化的规律，并有出现真空度的可能性。
附图25为液流动量方程式示教板(21)的示意图。图中示教板(21)上部用细绳固定着的下端带90°弯头(51)的玻璃管。演示时，将水准瓶上的出水胶管与示教板(21)上端的玻璃管连通。升高水准瓶位置，打开胶管上的止水夹，在水流从玻璃管下端90°弯头射出时，整个玻璃管将以上端固定点为转动中心朝出口水流的反方向转过一个θ角度。此演示直观地显示出当液流方向发生改变时，液体与壁面之间有力的作用，帮助学生理解液流动量方程式的物理意义。
附图26为空气压差计示教板(22)的示意图。图中示教板(22)上安装有空气压差计(64)，空气压差计下端两根导压胶管(55)可以与有机玻璃制的文德里流量计(33)，或孔板流量计(34)，或沿程阻力实验管(36)，或局部阻力实验管(35)上的两导压管咀(80)连通。
附图27为文德里流量计(33)的纵截面示意图。图中文德里流量计(33)内径中间小，向前后两端扩大，在上流大断面和中间最小断面上各有一个导压管咀(80)。
附图28为孔板流量计(34)的纵截面示意图。图中孔板流量计(34)的内径不变，但其中间有一孔板(89)，孔板中央有薄壁小孔(87)，在孔板(89)的上下流两侧有互差90°角的两个导压管咀(80)。
附图29为局部阻力实验管(35)的纵截面示意图。图中实验管(35)内径有大小各一段，每一段上各有一导压管咀(80)。
附图30为沿程阻力实验管(36)的纵截面示意图。图中实验管(36)为直玻璃管或紫铜管，在其两端有导压管咀(80)。
附图31为进行文德里流量计实验、孔板流量计实验、沿程阻力实验、局部阻力实验时的组合示意图。实验时，用胶管将稳压水箱(4)和流量计(33，34)或阻力实验管(35，36)连通，并在流量计或阻力实验管出口接上出水胶管(55)，在有水流通过的情况下，调节出水胶管上螺丝夹(57)的不同开度以得到不同的流量，可以直观看出，流量大时空气压差计上读数也大。在各种稳定流动情况下用秒表、量杯测出流量，用温度计测出水温，可以由实验管或流量计的尺寸，空气压差计(64)上的读数，计算出阻力系数，流量系数和相应的雷诺数，进一步绘制出阻力系数，流量系数随雷诺数变化的曲线。
附图32为管路阻力综合分析示教板(23)的示意图。图中示教板(23)上安装着两根竖直测压玻璃管(54)，水平输水玻璃管和三个螺丝止水夹(57)所组成的管路阻力综合分析演示系统。演示时用胶管将稳压水箱(4)和示教板(23)上水平输水管进口连通，并在输水管出口接上出水胶管。当有水流通过时各个竖直测压管(54)内各有一定的液面高度，它们各个的值V1，V2和两者间的高度差△h与每个螺丝止水夹的开度大小有着直接关系，演示前，先启发学生对管路中任一调节阀变更开度对整个管路和每段管路水头损失变化关系，即V1、V2和△h如何变化进行综合分析，最后用实验进行验证。
此外，还可以用示教板(23)和稳压水箱(4)组成压力管路水击现象演示演示前，先用胶管将稳压水箱和示教板(23)下部的输水管进口连通。将示教板下部后面两个螺丝止水夹(57)取下，在出口处装上一个弹簧止水夹(56)，并将稳压水箱(4)和示教板(23)放在同一个桌面上，使示教板上端高于稳压水箱顶部。演示时先单独打开输水管前面一个螺丝止水夹，让水流入输水管并在停止流动以后，各测压管内液面显示出与稳压水箱内水面同一水平线的静液位。单独打开示教板上输水管出口处的止水夹，在产生最大流量条件下，突然关闭该止水夹，此时可以直观看到各测压管内液面产生周期性的上下波动现象，同时靠近出口一根测压管内的液面可以上升到静液位以上的高度。此演示说明水击压强可以高于最大静压强并产生周期振动的物理特性，但要同时向学生讲明真实的输水管为钢材，其弹性变形比胶管小得多，因此输水钢管内发生水击时水击压强要高得多，其振动周期也短得多。此演示可以帮助理解水击现象产生的原因，水击波传递过程和防止水击破坏的措施(当缓慢关闭出水阀时，可以直观看到水击压强要小得多)。
附图33为长输水干线示教板(24)的示意图。图中示教板(24)上安装着水塔模型(65)、玻璃直管测压管(54)、输水胶管(55)和房屋模型(66)、螺丝止水夹(57)所组成的长输水干线演示系统。
附图34为长输油干线示教板(25)的示意图。图中示教板(25)上安装着贮油罐模型(67)、输油泵模型(68)、玻璃直管测压管(54)、输油胶管(55)和螺丝止水夹(57)组成的长输油干线演示系统。演示时将示教板上的输水干线或输油干线的进口与稳压水箱之间用胶管连通。并在干线末端接上出水胶管，前后两段胶管上均应有螺丝止水夹。通过进、出水胶管和示教板上输水或输油胶管上螺丝止水夹开度的调节，可以在示教板上演示出输水干线或输油干线起、止两断面间测压管水头最合理条件下的能量平衡关系，帮助理解长输水干线和长输油干线水力计算公式的物理意义。
附图35为并联管路示教板(26)的示意图。图中示教板(26)上安装着由四根竖直玻璃直管测压管(54)、两根水平输水玻璃直管(54)和两个有机玻璃四通接头(69)和螺丝止水夹(57)组成的并联管路水力特性演示系统。左、右两根测压管安装在四通接头(69)上，中间两根测压管分别安装在两个水平支管末端前距四通(69)等距离处。演示时，在并联管进、出口分别用胶管接通稳压水箱(4)和接上出水胶管(55)，在有水流通过并联管时，左、右两根测压管的液面高差显示出两条支管起、止两断面间具有相同水头损失。关小螺丝夹(57)的开度，减小下面一根支管的流量，其末段水头损失将减小，故下面一根支管末段测压管内液面进一步下降。此演示从反面说了并联管路中，阻力较大的支管中流量较小，以保持各支管总水头损失相等的平衡状态。帮助学生理解并联管路各支管中水头损失相等的水力特性。
附图36为分支管路示教板(27)的示意图。图中示教板(27)上固定有三根玻璃直管测压管(54)，通过玻璃管三通(52)分别作为连接干线起点“水塔”和各支管末端“用户”的测压管。测压管旁分别有水塔模型(65)及房屋模型(66)。演示时，用胶管将输水管上流接通稳压水箱(4)，每个末端用户接上出水胶管，在产生流动的情况下，调节各“用户”的螺丝夹的开度，可以保持其测压管应有的液位。通过稳定流动条件下，示教板上“水塔”和“用户”之间的测压管液位差，可以直观地显示出分支管路起止断面之间的能量平衡关系，帮助学生理解其水力计算公式的物理意义。
附图37为雷诺实验仪(31)的示意图。图中雷诺实验仪(31)为有机玻璃板，上面安装有色液漏斗玻璃管(74)，漏斗玻璃管(74)的下端接有注射针接头(75)和注射针(77)，流态显示玻璃管(76)接在针头(77)的下方，并与玻璃管90°弯头(51)、胶管(55)和直玻璃管(54)组成一U形虹吸管路。实验时将雷诺实验仪(31)竖直地插入稳压水箱(4)的加水开口槽(41)内，用胶管连接雷诺实验仪上端的玻璃管90°弯头(51)并吸出管中空气，使产生虹吸流动。在有水流通过流态演示管的情况下，用胶皮头吸管向色液玻璃管漏斗中加入2～3毫升红墨水，从注射针流出的红色水迹线可显示流态演示玻璃管中的水流状态。当流量小，流速低时，红水呈直线，为层流；当流量大，流速高时，红水线剧烈摆动甚至与清水强烈混合，为紊流。流量是由出水胶管上一个螺丝止水夹来调节的，操作要尽量缓慢，不使仪器和胶管振动。仔细调节适当流量大小，红水线刚开始由混乱变为不摆动的直线时，测出流量和水温度，可根据流态显示管内径计算出临界雷诺数Rek的值。
此教具的主要特点是流态显示管在圆筒形有机玻璃水箱内部，整个教具尺寸变小，装满水的圆柱水箱对流态显示管中红水迹线有放大作用。流态显示管直径小，临界流速VK高，不易受仪器轻微振动的干扰，临界流动状态清楚，临界雷诺数比较准确，为2000左右。
以下是附图中各标号的名称1、教具箱；2、示教板支架；3、水轮模型；4、有机玻璃稳压水箱；5、液压计示教板；6、连通器等压面示教板；7、连通器压强平衡示教板；8、液压计性能示教板；9、复式液压计示教板；10、相对压强示教板；11、压强直线分布示教板；12、液体比压能示教板；13、静压力水头示教板；14、液体相对静止示教板；15、流线演示示教板；16、液流能量及其转换示教板；17、连续方程式示教板；18、伯诺利方程式示教板；19、缩放管压头线示教板；20、压力管路真空度示教板；21、液流动量方程式示教板；22、空气压差计示教板；23、管路阻力综合分析示教板；24、长输水干线示教板；25、长输油干线示教板；26、并联管路示教板；27、分支管路示教板；28、有机玻璃伯诺利方程演示管；29、有机玻璃缩放管；30、压强传感器；31、雷诺实验仪；32、流线显示仪；33、有机玻璃文德里流量计；34、有机玻璃孔板流量计；35、有机玻璃局部阻力管；36、沿程阻力管；37、教具箱隔板；38、示教板定位角铁块；39、示教板定位滑块；40、有机玻璃圆筒；41、加水开口槽；42、孔口、管咀板；43、标准圆柱管咀；44、排气管咀；45、出水管咀；46、1mm薄胶板；47、有机玻璃加水漏斗；48、φ8U形玻璃管；49、φ12U形玻璃管；50、主容器(50a.连通器压强平衡主容器；复式液压计主容器；50b.相对压强演示主容器；50c.压强直线分布演示主容器；50d.液体比压能演示主容器；液流能量及其转换演示主容器；50e.静压力水头演示主容器；50f.连续方程式演示主容器)；51、90°玻璃管弯头；52、T形三通玻璃管；53、U形三通玻璃管；54、直玻璃管；55、胶管；56、弹簧止水夹；57、螺丝止水夹；58、压力表(0～0.1MPa)；59、梳筚测压管；60、活动板；61、转轴；62、轴承；63、有机玻璃水轮罩；64、空气压差计；65、水塔模型；66、房屋模型；67、贮油罐模型；68、输油泵模型；69、有机玻璃四通；70、铜管φ8×1；71、薄铁皮开口小圆筒；72、胶皮薄模；73、有机玻璃板；74、色液漏斗；75、注射针接头；76、流态显示玻璃管；77、9号注射针头；78、流线孔(φ1)；79、铜螺栓(M3×18)；80、导压管咀；81、水准玻璃瓶；82、血压计球；83、滤波板；84、减振筛板；85、稳压水箱加水口隔板；86、稳压水箱支架；87、薄壁孔口；88、塑料水桶；89、有机玻璃孔板。
权利要求1.一种组合式水力学综合教学用具，全套教具包括液压计示教板(5)，连通器等压面示教板(6)，连通器压强平衡示教板(7)，液压计性能示教板(8)，复式液压计示教板(9)相对压强示教板(10)，压强直线分布示教板(11)，液体比压能示教板(12)，静压力水头示教板(13)，液体相对静止示教板(14)，流线演示示教板(15)，液流能量及其转换示教板(16)，连续方程式示教板(17)，伯诺利方程式示教板(18)，缩放管压头线示教板(19)，压力管路真空度示教板(20)，液流动量方程式示教板(21)，空气压差计示教板(22)，管路阻力综合分析示教板(23)，长输水干线示教板(24)，长输油干线示教板(25)，并联管路示教板(26)，分支管路示教板(27)，及前述示教板的配件如伯诺利方程演示管(28)，缩放管(29)，压强传感器(30)，雷诺实验仪(31)，流线显示仪(32)，文德里流量计(33)，孔板流量计(34)，局部阻力管(35)，沿程阻力管(36)，水准玻璃瓶(81)，血压计球(82)等，其特征在于1)各个示教板为长方形，固定在示教板上的各演示系统均采用玻璃直管(54)，玻璃U形管(48、49)，玻璃管三通(52，53)，玻璃管弯头(51)，胶管(55)按需要连接构成实验或输水管道，各实验系统中采用的主容器(50)，各种配件即演示管(计)均采用有机玻璃制成；2)全套教具还包括一用有机玻璃制成的，在各演示中既可作稳压供水容器，又可作为一般开口容器用的圆筒形的公用稳压水箱(4)及其支架(86)；3)全套教具还包括一示教板支架(2)，示教板支架为带有底板和三角撑板的框架，框架上对称固定有四个角铁块(39)作为示教板插入时的导向槽；4)在进行教学演示时，根据演示需要选出的示教板插入示教板支架(2)的导向槽内，通过胶管(55)将示教板上的实验或输水管道的进口端与水准瓶(81)，或血压计球(82)，或稳压水箱(4)底端的出水管嘴(43)连接后组合构成完整的演示系统，其中，水箱参予组合时，将它置于水箱支架(86)上，其底部高于示教板的顶端；5)全套教具存放在教具箱(1)内，教具箱内有隔板(37)和使各示教板分隔定位的定位角铁块(38)。
2.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于稳压水箱的顶盖上一侧有一开口通大气的加水槽(41)，由一底端带小孔的有机玻璃隔板(85)直插箱底后，其上端与水箱的侧壁构成，水箱顶盖中心有排气管嘴(44)；水箱内还固定有滤波板(83)和减振筛板(84)，它们与隔板(85)平衡排列，滤波板底端带有小孔，减振板上布满小孔，水箱外侧壁下部固定有金属制成的孔口管嘴板(42)，其中有一个出口为喇叭型的薄壁孔口(87)和一个标准圆柱管嘴(43)。
3.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于连通器压强平衡演示示教板板(7)上安装着由主容器(50a)，玻璃直管(54)，玻璃管三通(52)，玻璃管90°弯头(51)构成的演示系统，其中主容器(50a)上方有一弹簧止水夹(56)，侧边有玻璃直管(54)作的测压管，由玻璃直管(54)，玻璃管90°弯头(51)，玻璃三通(52)组成的环形管道，环形管道上端有一弹簧止水夹(56)，下端有一螺丝止水夹(57)，主容器(50a)底端与环形管道的底端连通，并通过一玻璃管90°弯头(51)与一端开口的玻璃直管(54)连接。
4.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于相对压强演示示教板(10)上安装着主容器(50b)，主容器上、下、两侧各有一管咀，其中一侧管咀通过玻璃管90°弯头与U形管(48)连接，其余管咀上均有弹簧止水夹(56)。
5.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于水静压强直线分布演示示教板(11)上安装着主容器(50c)，主容器上、下各有一管咀和止水夹(56)，侧壁上竖直排列四个管咀，通过玻璃管90°弯头(51)，玻璃直管(54)和胶管(55)分别与梳筚形测压管(59)的开口端连接。
6.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于液体相对静止演示示教板(14)上安装了旋转活动板(60)和转轴(61)，在活动板上固定有梳筚形测压管(59)。
7.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于液流能量及其转换演示示教板(16)的下端有一主容器(50d)，其侧边有一管咀与玻璃管90°弯头(51)及玻璃直管(54)构成的向上输送水的管道，管道的出口有一水轮模型(3)，水轮模型装在有机玻璃水轮罩(63)内，水轮罩(63)下端与主容器上端的管咀连通，其间包括一弹簧止水夹(56)和一接血压计球(82)的玻璃管三通(52)。
8.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于伯诺利方程式演示示教板(18)背面中部的水平槽孔中安装着有机玻璃伯诺利方程式演示管(28)，下面竖直安装着至少九根测压玻璃直管(54)，其下端有导压胶管(55)与背面演示管上的导压管咀(80)相连通，构成U形测压管，伯诺利方程式演示管(28)的内径分三段，中间小，两头大，每段上有至少三个均布的导压管咀(80)，最后一个导压管咀紧靠演示管(28)的末端。
9.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于流线演示示教板(15)安装有有机玻璃流线显示仪(32)，该显示仪由两块平行有机玻璃板(73)，薄胶板(46)，有机玻璃加水漏斗(47)和铜螺栓(79)组成，加水漏斗(47)内侧壁底部两平行有机玻璃板上各有一排均匀分布的流线孔(78)，但两块板上流线孔的位置水平相互错开，两平行板间垫有薄胶板(46)，胶板中部挖空，与平行有机玻璃板构成边缘密封的夹层空间。
10.根据权利要求1所述的组合式水力学综合教具，其特征在于雷诺实验由雷诺实验仪(31)上面安装有色液漏斗玻璃管(74)，玻璃管(74)的下端接有注射针接头(75)和注射针(77)，流态显示玻璃管(76)接在针头(77)的下方，并与玻璃管90°弯头(51)，胶管(55)和直玻璃管(54)组成一U形虹吸管路。
专利摘要组合式水力学综合教具是一种小型水力学直观演示教具，全套教具由一个有机玻璃稳压水箱和二十三个示教板及配件组成。通过简单的组合，便可开出水力学课程中重点，难点内容二十九个教学演示。教具的设计以水力学科学为依据，以揭示水力学课程中有关概念和规律的物理本质为目的，在结构上力求一物多用，组合演示的原则。全套教具具有结构简单，操作方便、直观性强，能进入教室配合讲课，教学效果良好而成本低廉的特点。
文档编号G09B23/00GK2063266SQ9021175
公开日1990年10月3日 申请日期1990年1月15日 优先权日1990年1月15日
发明者郭香崧 申请人:重庆石油学校