一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及教學實驗儀器。尤其涉及一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀及其方法。
【背景技術】
[0002]流體力學水力學教學實驗中，沿程阻力實驗是大中專院校中應用很廣泛的一個基本實驗項目。其所使用的沿程阻力實驗儀，通常由水泵直接供水，是一種自循環(huán)供水實驗儀器。這種實驗儀器因水泵引起的自循環(huán)管道系統(tǒng)中的壓力波動，會嚴重影響實驗精度和穩(wěn)定性，以下以傳統(tǒng)常用的7毫米實驗管道的沿程阻力實驗儀為例，說明其技術背景。
[0003]沿程阻力實驗包括層流實驗和湍流實驗內(nèi)容，其湍流實驗要求實驗管道的作用水頭高，流量大，如上例所述的供水泵的揚程為8-20米，最大流量為200-300毫升每秒，這種高揚程的泵會引起較大的壓力波動，尤其在低壓端可達數(shù)厘米的水柱或更高。由于層流實驗階段，流量很小，其最大流量值約為每秒10毫升左右，其層流損失約在1-3厘米范圍(與水溫有關)，因此水泵直供的自循環(huán)系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力波動使層流實驗幾乎無法正常進行。另外，管道層流流態(tài)的本身是不會產(chǎn)生壓力脈動的，如果所測的層流壓強，有明顯的脈動現(xiàn)象，是不符合客觀規(guī)律，也有違教學的基本概念。因此從實驗誤差或教學要求而言，都希望在層流實驗階段，測點的壓力波動越小越好。
[0004]傳統(tǒng)上穩(wěn)壓方式是采用穩(wěn)壓罐的方式，而不是穩(wěn)壓箱的方式。所謂穩(wěn)壓箱是水泵將水先輸送到有自由液面的一個敞口箱體，經(jīng)箱體穩(wěn)壓后的水體，再供給實驗管道。穩(wěn)壓箱穩(wěn)壓供水只適用于作用水頭1-2米以下的實驗系統(tǒng)。而沿程實驗在湍流實驗階段，供水水頭會高達10-20米以上，因此不適合通過敞口的穩(wěn)壓箱供水，這就是傳統(tǒng)上沿程阻力實驗儀只能通過密封穩(wěn)壓罐來穩(wěn)壓供水的原因。采用密封穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，如果要達到較好的穩(wěn)壓效果，必須再加上分流處理，而且穩(wěn)壓罐要足夠大。例如上例，經(jīng)本發(fā)明人的實驗表明，穩(wěn)壓罐的直徑需達25厘米以上，再加裝分流管，經(jīng)過分流處理，才能在層流流態(tài)下使穩(wěn)壓效果達到土1毫米。這是現(xiàn)有最好的一種穩(wěn)壓方式。這種穩(wěn)壓方式存在以下兩個問題:一是穩(wěn)壓罐要大，耐壓要高，罐體生產(chǎn)難，制造成本大；二是穩(wěn)壓罐不能用氣囊式，要用罐體注水式，如附圖中穩(wěn)壓罐(5)，這種穩(wěn)壓罐直徑在20厘米以上，目前市場上沒有。因此目前所用的沿程阻力實驗儀，除本發(fā)明人生產(chǎn)的之外，已沒有采用這種大壓力罐穩(wěn)壓的沿程阻力實驗儀?，F(xiàn)在采用的都是小型壓力罐，并加了分流裝置，但其穩(wěn)壓效果普遍很差，在層流狀態(tài)下仍然會有4-6毫米水柱以上的壓力波動。壓力波動大于2毫米水柱以上的實驗儀，是不能滿足教學實驗要求的。
[0005]如何開發(fā)一種層流湍流階段都能達到穩(wěn)壓效果好，結(jié)構(gòu)簡單，方便實用，能滿足教學實驗要求的水泵直供水沿程阻力實驗儀，是實驗教學領域中急待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀及其方法，以提高水泵直供沿程阻力實驗儀的穩(wěn)壓效果，尤其是提高層流階段的穩(wěn)壓性能。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀具有蓄水箱、高揚程水泵、供水管、帶節(jié)流孔手動或電動閥門、穩(wěn)壓罐、實驗管道、流量調(diào)節(jié)閥門、漏斗、回水管；蓄水箱、高揚程水泵、帶節(jié)流孔手動或電動閥門、穩(wěn)壓罐、流量調(diào)節(jié)閥門順次相連，高揚程水泵和帶節(jié)流孔手動或電動閥門之間為供水管，穩(wěn)壓罐和流量調(diào)節(jié)閥門之間為實驗管道，流量調(diào)節(jié)閥門出口正對漏斗，漏斗通過回水管與蓄水箱相連。
[0008]所述的帶節(jié)流孔手動或電動閥門，在其閥門關閉的活動閥板上開有一個或多個節(jié)流孔，并與穩(wěn)壓罐組成雙穩(wěn)式穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)。
[0009]所述實驗儀的沿程阻力實驗方法是:
湍流實驗時，帶節(jié)流孔閥門全開，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，輸送給實驗管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實驗管道中的水流流態(tài)為湍流實驗狀態(tài)；
當進行層流實驗時，將帶節(jié)流孔閥門全關，實驗水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出至閥后管道，再流入到穩(wěn)壓罐，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實驗管道，實驗管道中的水流流態(tài)為層流實驗狀態(tài)；
無論層流或湍流階段的實驗流量調(diào)節(jié)，都可由實驗管道末端的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，水流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥輸出至漏斗，并經(jīng)由回水管返回蓄水箱。
[0010]采取了一種節(jié)流型層流穩(wěn)壓器與罐式穩(wěn)壓器的雙穩(wěn)結(jié)構(gòu)，以提高層流實驗的水壓穩(wěn)定性能和實驗精度。節(jié)流型穩(wěn)壓器是在閥門的閥板上開有一個或多個節(jié)流孔。當閥門全關時，閥前引自水泵的有壓水經(jīng)節(jié)流孔流向?qū)嶒灩艿?。這一股小流量流經(jīng)節(jié)流孔時，節(jié)流孔能很好消除因水泵引起的閥前水體壓力波動，起到很好的消波穩(wěn)壓作用。再經(jīng)穩(wěn)壓罐二次穩(wěn)壓，可消除99%的水流壓力波動。如上例，使水泵供水管內(nèi)±20厘米水柱以上的水壓波動值，穩(wěn)壓到±0.5毫米水柱以內(nèi)。因而可在水泵直供條件下，滿足層流實驗的穩(wěn)壓供水需求。解決了長期以來水泵直供條件下很難解決的層流實驗穩(wěn)定問題。同時在湍流階段，利用穩(wěn)壓罐進行穩(wěn)壓，也達到了很好的湍流穩(wěn)壓效果。該實驗裝置，壓力穩(wěn)定，測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
[0011]本發(fā)明具有的有益效果是:
1、極大提高了傳統(tǒng)實驗儀器的穩(wěn)壓性能，尤其是層流階段，使其穩(wěn)定性達到I毫米級水柱。能完全滿足層流實驗的穩(wěn)壓供水需求。解決了長期以來水泵直供條件下很難解決的層流實驗穩(wěn)定問題；
2、用小型壓力罐替換了市場上斷貨的大型壓力罐，并省去傳統(tǒng)實驗儀中的分流管；
3、巧妙利用流體力學原理，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)壓效果好，能在同一套實驗裝置上進行層流和湍流實驗。
[0012]4、本發(fā)明作為流體力學實驗教學儀器，創(chuàng)新性的利用了流體力學原理解決實驗難題，能激發(fā)學生的學習興趣、啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識，對培養(yǎng)創(chuàng)新能力有益，具備很好的教學效果。
【附圖說明】
[0013]圖1是一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀結(jié)構(gòu)與自循環(huán)水流流動示意圖，圖中各結(jié)構(gòu)件名稱如下:蓄水箱1，高揚程水泵2，供水管3，帶節(jié)流孔手動或電動閥門4，穩(wěn)壓罐5，實驗管道6，流量調(diào)節(jié)閥門7，漏斗8，回水管9。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀，它具有蓄水箱1，箱中的水體經(jīng)高揚程水泵2，向?qū)嶒灩艿?輸水。由于水泵出水管壓力波動很大，為消除實驗管道的水壓波動，在水泵2與壓力管道6之間的連接管上，串聯(lián)有帶節(jié)流孔的手動或電動閥門4和穩(wěn)壓罐5，實驗管道6是測量沿程阻力的管道，在管道上設有測壓點和測流量測點，將測點水壓分別連接于相關的傳統(tǒng)或現(xiàn)代的測量裝置。如電子測壓計，電子流量儀或U型測壓管測壓計等。因本裝置設置有漏斗8，可在特小流量時，由重量法手動測量流量。調(diào)節(jié)閥門7可改變實驗流量。實驗水體經(jīng)回水管9自流回蓄水箱1，完成水流自循環(huán)。
[0015]壓力罐的大小可以根據(jù)實驗管道的粗細選定，如0.7毫米的實驗管道，可選用直徑10厘米左右的自來水管道用過濾器的外筒。節(jié)流孔大小與孔數(shù)是根據(jù)最大層流流量來實驗確定，要求當節(jié)流孔閥門4全關情況下，其過流量能滿足層流實驗的流量要求即可。
[0016]實驗操作方法:
調(diào)零操作；將帶節(jié)流孔手動或電動閥門4和流量調(diào)節(jié)閥7均全關閉；測量實驗管道，上下游兩測點間的壓強差，調(diào)節(jié)壓差電測儀零點，使其為零。調(diào)節(jié)流量計零點，使其為零。實驗表明，如上例，其測壓管液面波動值小于±0.5毫米，
湍流實驗時，帶節(jié)流孔閥門4全開，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐5穩(wěn)壓，輸送給實驗管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實驗管道中的水流流態(tài)為湍流實驗狀態(tài)；
當進行層流實驗時，將帶節(jié)流孔閥門4全關，實驗水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出至閥后管道，再流入到穩(wěn)壓罐5，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實驗管道，實驗管道中的水流流態(tài)為層流實驗狀態(tài)；
無論層流或湍流階段的實驗流量調(diào)節(jié)，都可由實驗管道末端的流量調(diào)節(jié)閥7調(diào)節(jié)，水流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥7輸出至漏斗8，并經(jīng)由回水管9返回蓄水箱I。
[0017]實驗表明，實驗管道上各測壓點的測壓管波動值均小于±0.5毫米。
[0018]無論層流或湍流階段的實驗流量調(diào)節(jié)，都可由實驗管道末端的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。
【主權項】
1.一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀，其特征在于它具有蓄水箱(1)、高揚程水泵(2)、供水管(3)、帶節(jié)流孔手動或電動閥門(4)、穩(wěn)壓罐(5)、實驗管道(6)、流量調(diào)節(jié)閥門(7)、漏斗(8)、回水管(9);蓄水箱(1)、高揚程水泵(2)、帶節(jié)流孔手動或電動閥門(4)、穩(wěn)壓罐(5)、流量調(diào)節(jié)閥門(7)順次相連，高揚程水泵(2)和帶節(jié)流孔手動或電動閥門(4)之間為供水管(3)，穩(wěn)壓罐(5)和流量調(diào)節(jié)閥門(7)之間為實驗管道(6)，流量調(diào)節(jié)閥門(7)出口正對漏斗(8)，漏斗(8)通過回水管(9)與蓄水箱(I)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀，其特征在于所述的帶節(jié)流孔手動或電動閥門(4)，在其閥門關閉的活動閥板上開有一個或多個節(jié)流孔，并與穩(wěn)壓罐(5)組成雙穩(wěn)式穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)。
3.一種如權利要求1所述實驗儀的沿程阻力實驗方法，其特征在于: 湍流實驗時，帶節(jié)流孔閥門(4)全開，水流經(jīng)穩(wěn)壓罐(5)穩(wěn)壓，輸送給實驗管道，這種穩(wěn)壓狀態(tài)與傳統(tǒng)的現(xiàn)有的穩(wěn)壓狀態(tài)相同，實驗管道中的水流流態(tài)為湍流實驗狀態(tài)； 當進行層流實驗時，將帶節(jié)流孔閥門(4)全關，實驗水流經(jīng)節(jié)流孔消波穩(wěn)壓并限流輸出至閥后管道，再流入到穩(wěn)壓罐(5)，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后，輸送給實驗管道，實驗管道中的水流流態(tài)為層流實驗狀態(tài)； 無論層流或湍流階段的實驗流量調(diào)節(jié)，都可由實驗管道末端的流量調(diào)節(jié)閥(7)調(diào)節(jié)，水流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥(7)輸出至漏斗(8)，并經(jīng)由回水管(9)返回蓄水箱(I)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種節(jié)流型雙穩(wěn)式沿程阻力實驗儀及其方法。它由蓄水箱、高揚程水泵、供水管、帶節(jié)流孔手動或電動閥門、穩(wěn)壓罐、實驗管道、流量調(diào)節(jié)閥門、漏斗、回水管和測量儀表等組成。沿程阻力實驗儀必須具備層流實驗和湍流實驗雙重功能。當閥門全關時，閥前引自水泵的有壓水經(jīng)節(jié)流孔流向?qū)嶒灩艿?，?jié)流孔能很好消除因水泵引起的閥前水體壓力波動，起到很好的消波穩(wěn)壓作用。再經(jīng)穩(wěn)壓罐二次穩(wěn)壓，使其穩(wěn)壓精度在±0.5毫米以內(nèi)，因而可在水泵直供條件下，滿足層流實驗的穩(wěn)壓供水需求。解決了水泵直供條件下層流實驗穩(wěn)定問題。同時在湍流階段，利用穩(wěn)壓罐進行穩(wěn)壓，達到很好的湍流穩(wěn)壓效果。該實驗裝置，壓力穩(wěn)定，測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
【IPC分類】G09B23-12
【公開號】CN104778881
【申請?zhí)枴緾N201510139030
【發(fā)明人】毛欣煒, 毛根海
【申請人】浙江大學, 杭州源流科技有限公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年3月27日