楊榮榛，董文生，劉春玲，張國防

(陜西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 西安 710119)

·儀器設(shè)備研制、改進(jìn)、維護(hù)·

雷諾實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

楊榮榛，董文生，劉春玲，張國防

(陜西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 西安 710119)

為改善化工基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，對(duì)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了雷諾仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件輔助教學(xué)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)檢驗(yàn)，取得了良好的效果，既強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，又提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，很好地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；雷諾實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)裝置；改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，往往由于實(shí)驗(yàn)裝置自身的缺陷和操作等影響，導(dǎo)致雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果不甚理想。鑒于此，我們結(jié)合該課程的特點(diǎn)，為更好地實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生掌握流體流動(dòng)的相關(guān)理論知識(shí)，了解流體流動(dòng)規(guī)律，增強(qiáng)觀察、分析和解決問題能力，對(duì)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高教學(xué)效果，為后續(xù)相關(guān)課程奠定良好基礎(chǔ)。

1 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置及流程

陜西師范大學(xué)的雷諾實(shí)驗(yàn)裝置采用立式結(jié)構(gòu)，由高位槽、示蹤劑瓶、雷諾管、流量計(jì)、閥門、水泵和低位水箱等組成[1]，如圖1所示。其流程為：

1)水泵將低位水箱中的水輸送到高位槽。高位槽由三塊隔板將其分成四個(gè)區(qū)域，依次為溢流區(qū)、上水區(qū)、緩沖區(qū)和儲(chǔ)水區(qū)。溢流區(qū)是專為維持高位槽液面恒定而設(shè)置的，其與上水區(qū)以隔板相隔，當(dāng)上水區(qū)液面超過隔板上沿后，會(huì)溢出至溢流區(qū)經(jīng)溢流管流回至低位水箱；上水區(qū)是將低位水箱的水通過循環(huán)水泵送到高位槽，并與上水管相連接的區(qū)域；緩沖區(qū)是為減緩水流的沖擊擾動(dòng)而特設(shè)的區(qū)域，其與上水區(qū)之間用開有小孔的隔板相隔；儲(chǔ)水區(qū)與緩沖區(qū)由隔板隔開，連接有雷諾管，目的是防止緩沖區(qū)來的水流產(chǎn)生擾動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果。

圖1 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置

2)儲(chǔ)水區(qū)的水依次經(jīng)過豎直雷諾管、流量計(jì)和流量控制閥后流回至低位水箱。

3)示蹤劑則經(jīng)軟質(zhì)細(xì)管從雷諾管上端入口處注入，通過調(diào)節(jié)控制閥的開度大小控制流量，在雷諾管中觀察到色線的變化，判斷不同流型，掌握流體的流動(dòng)規(guī)律。

陜西師范大學(xué)的雷諾實(shí)驗(yàn)裝置中，高位槽雖然采用了底部帶孔隔板與無孔隔板相結(jié)合的方式，減緩了水流產(chǎn)生的擾動(dòng)沖擊，減小對(duì)雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并從水流控制、維持液位恒定等方面做了改進(jìn)，但收效不大。我們仔細(xì)分析了該實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和操作過程，發(fā)現(xiàn)其影響因素主要表現(xiàn)在，雷諾管與高位槽的連接處管口為直管連接，無漸變的過渡收縮段，導(dǎo)致進(jìn)水流不穩(wěn)定。當(dāng)水進(jìn)入雷諾管時(shí)，由于流況的變化，使水流方向發(fā)生改變，在入口處的局部阻力損失較大；水泵在工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)，因外來的輕微振動(dòng)，尤其是處在臨界區(qū)域時(shí)，易使處于層流狀態(tài)下的現(xiàn)象變?yōu)檫^渡狀態(tài)，而過渡狀態(tài)的現(xiàn)象變?yōu)橥牧?，觀察得到的現(xiàn)象與理論雷諾數(shù)值不符，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠。

2 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)過程中的任何輕微振動(dòng)和不穩(wěn)定的水流都會(huì)引起流型變化，導(dǎo)致示蹤劑色線產(chǎn)生搖擺波動(dòng)，不利于對(duì)流型的觀察，因此，確保高位槽的液位恒定且無振動(dòng)非常重要[2-3]。對(duì)于高位槽入水區(qū)而言，水流從入水口噴射出來經(jīng)過底部帶孔的隔板時(shí)，因內(nèi)部存在暗流，其涌動(dòng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水箱儲(chǔ)存的水及液面產(chǎn)生波動(dòng)。被隔板分隔開的上水區(qū)和緩沖區(qū)兩個(gè)區(qū)域緊緊相鄰，水經(jīng)過底部帶孔隔板的小孔進(jìn)入緩沖區(qū)，再翻過隔板進(jìn)入與雷諾管相接的儲(chǔ)水區(qū)。我們在帶孔的隔板一側(cè)加一層薄海綿，通過快速滲透的方式，消除水流產(chǎn)生的波動(dòng)暗流，避免入水區(qū)、緩沖區(qū)和儲(chǔ)水區(qū)共液面時(shí)對(duì)測定結(jié)果帶來的影響。當(dāng)高位槽的進(jìn)水量大于儲(chǔ)存設(shè)置的液位時(shí)，會(huì)溢出到溢流區(qū)經(jīng)溢流降液管回流至低位水箱，此時(shí)，由于溢流區(qū)的液位低，位差大，沖擊高位槽底，引起儲(chǔ)水槽內(nèi)液面振動(dòng)。為維持高位槽內(nèi)液位恒定，減小沖擊，添加溢流管控制閥，使溢流區(qū)的液位維持在一定高度，防止了對(duì)高位槽底的沖擊，減小振動(dòng)。此外，為了減小雷諾管入口水流引起的渦動(dòng)影響雷諾管內(nèi)的流型，影響流型觀察，設(shè)法降低該處的局部阻力損失，將入口的直管改為漸縮形狀的圓形喇叭口。這些改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)效果。

為檢驗(yàn)改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)裝置的效果，我們在室溫為18 ℃的條件下，以水為流體，紅墨水為示蹤劑，分別將水的流量從小到大和從大到小調(diào)節(jié)，觀察比較雷諾管中示蹤劑色線的變化。為方便比較，將測定的流量、計(jì)算得到的雷諾數(shù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象列入表1中。

表1 改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象對(duì)比

臨界雷諾數(shù)是流體的流型由層流向過渡流變化的臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)，其值為2 000，即示蹤劑的流線由“直線”變?yōu)椤安ɡ司€”時(shí)的雷諾數(shù)。為方便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，改造前和改造后的現(xiàn)象為：

改造前的雷諾數(shù)在1 636時(shí)為上下粗細(xì)一致的紅色直線，在1 947時(shí)雷諾管色線上部未變，下部開始變細(xì)，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)；從1 947變到2 071時(shí)，由穩(wěn)定漸變成緩慢波動(dòng)的細(xì)線；在2 071時(shí)色線出現(xiàn)明顯擺動(dòng)，當(dāng)超過2 071到2 465時(shí)，波動(dòng)幅度逐漸增大，開始發(fā)散抖動(dòng)，顏色變淺，漸變成帶狀線；當(dāng)流量由大逐漸向小調(diào)節(jié)時(shí)，在2 465到2 113時(shí)，開始為發(fā)散抖動(dòng)的細(xì)線，逐漸形成帶狀線，再變?yōu)椴▌?dòng)的線；在2 113到2 009時(shí)，漸變?yōu)椴▌?dòng)的直線，波動(dòng)幅度逐漸收縮，色線上粗下細(xì)；在2 009到1 698時(shí)，色線由擺動(dòng)漸變?yōu)槠椒€(wěn)清晰的直線，色線線徑逐漸回到雷諾管中央，變得穩(wěn)定。

改造后的雷諾數(shù)在1 636到1 947時(shí)為上下粗細(xì)一致的直線，在2 071時(shí)雷諾管色線仍為直線未變，僅線徑變細(xì)，未出現(xiàn)波動(dòng)；在1 947到2 071時(shí)，色線由穩(wěn)定態(tài)逐漸變成微小波動(dòng)搖擺狀態(tài)的線；當(dāng)超過2 071后出現(xiàn)微小的波動(dòng)搖擺，到2 465時(shí)逐漸開始抖動(dòng)，顏色變淺，仍可觀測到色線象飄帶一樣擺動(dòng)；當(dāng)流量由大向小調(diào)節(jié)時(shí)，在2 465到2 113時(shí)，象飄帶一樣的色線擺動(dòng)幅度逐漸變小，成為在雷諾管中心來回?cái)[動(dòng)幅度不大的細(xì)線；在2 113到2 009時(shí)，擺動(dòng)的細(xì)線漸趨穩(wěn)定，色線基線逐漸回到雷諾管中央，不再波動(dòng)；在2 009到1 698時(shí)，色線由穩(wěn)定、清晰、粗細(xì)一致的直線逐漸變粗，穩(wěn)居管中心。

由于流體在由層流到過渡態(tài)附近流動(dòng)時(shí)示蹤劑流線的變化比較復(fù)雜，觀察到的現(xiàn)象都不可能完全相同，觀察到的只能是一個(gè)示蹤劑流線波動(dòng)幅度和擴(kuò)散程度逐漸變化的過程。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，改進(jìn)前的臨界雷諾數(shù)在1 947(流量94 L/h)附近，偏離理論臨界雷諾數(shù)，即在較小的雷諾數(shù)下已經(jīng)變?yōu)檫^渡流；而改進(jìn)后的臨界雷諾數(shù)在1 947到2 009時(shí)(流量94～97 L/h)，其結(jié)果接近理論臨界雷諾數(shù)，仍然為層流，現(xiàn)象與結(jié)果吻合非常好，偏差理論值小，重現(xiàn)性好，結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。除了上述的改進(jìn)外，我們還在雷諾管的后面安裝平面反射鏡，通過反射原理增大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察角度，更方便清晰地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很好地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 仿真模擬軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-5]

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的目的在于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生剛開始接觸化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，看著與其他基礎(chǔ)理論課實(shí)驗(yàn)差距很大的雷諾實(shí)驗(yàn)裝置，感到茫然，無從下手。為了使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置有足夠的了解，能夠有目的、有針對(duì)性地做實(shí)驗(yàn)，我們運(yùn)用LabVIEW軟件開發(fā)制作動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)軟件，仿真模擬軟件中使用JIF動(dòng)態(tài)圖片，可觀察到雷諾管內(nèi)的流體流動(dòng)效果，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)。雷諾仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件中的流體溫度設(shè)定為15 ℃～36 ℃時(shí)，模擬溫度和流量隨機(jī)賦值顯示，根據(jù)已知管徑通過雷諾公式計(jì)算該流量和溫度下的雷諾數(shù)，并通過數(shù)值顯示控件及時(shí)顯示。所有計(jì)算均在計(jì)算機(jī)內(nèi)自動(dòng)完成，最終輸出的即時(shí)雷諾數(shù)供學(xué)生參考。雷諾數(shù)與流體流動(dòng)形態(tài)的關(guān)系由計(jì)算機(jī)計(jì)算出來的即時(shí)雷諾數(shù)和理論臨界雷諾數(shù)相比較后決定，即雷諾數(shù)小于2 000顯示完全層流態(tài)流動(dòng)，大于4 000時(shí)顯示完全湍流態(tài)流動(dòng)，在2 000到4 000時(shí)，則顯示過渡態(tài)流動(dòng)。

用仿真模擬軟件預(yù)習(xí)雷諾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生明白流體流動(dòng)形態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系，了解雷諾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)中可能遇到的問題等，避免在實(shí)驗(yàn)裝置面前不知道要做什么、如何操作實(shí)驗(yàn)裝置、應(yīng)注意哪些問題等。通過反復(fù)操作我們開發(fā)的雷諾仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件，學(xué)生能充分了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)裝置和流程，可以幫助學(xué)生更加直觀形象地掌握理論知識(shí)；模擬操作中還能顯示各設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料流動(dòng)狀態(tài)及原理；學(xué)生自己動(dòng)手，大膽操作，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后不會(huì)出現(xiàn)看著實(shí)驗(yàn)儀器不敢操作的問題。

LabVIEW軟件制作的仿真系統(tǒng)因其圖形外觀漂亮，特別適合進(jìn)行模擬仿真，能方便、快捷、形象地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)過程，很容易被學(xué)生接受和理解，更便于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過程及掌握操作方法。 LabVIEW仿真模擬能吸引學(xué)生的注意力，非常受歡迎，使實(shí)驗(yàn)過程取得了意想不到的效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生再通過對(duì)比分析仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能很快掌握雷諾實(shí)驗(yàn)的真諦，為學(xué)生充分地掌握流體流動(dòng)知識(shí)提供了更多的幫助，且能最大限度地發(fā)揮雷諾實(shí)驗(yàn)本身應(yīng)該具有的教育價(jià)值。雷諾實(shí)驗(yàn)仿真模擬軟件在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的創(chuàng)新模式，能更好地引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題，開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和創(chuàng)造能力的重要途徑。通過對(duì)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，大大地提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，觀察、分析和解決問題能力。用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教學(xué)提供更多的思路，更便于引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題，同時(shí)也強(qiáng)化了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。這種采用仿真模擬軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為學(xué)生充分地掌握流體流動(dòng)知識(shí)提供了更多的幫助。隨著實(shí)踐教學(xué)改革的不斷深入，把知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)融為一體的方式，拓寬學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和思路，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的良好修養(yǎng)、厚實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)、分析和解決問題的能力具有非常重要的意義。

[1]董文生,楊榮榛.化學(xué)工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].西安:陜西師范大學(xué)出版社, 2012:9-11.

[2]劉大為.開放系統(tǒng)中的雷諾數(shù)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008,8(19):5365-5369.

[3]楊慶華,陳春光,宋志明，等.雷諾實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007,26(12):54-56.

[4]于海明,謝秋菊,杜雪亭，等.基于網(wǎng)絡(luò)的《流體力學(xué)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009(2):23-24.

[5]鄭鑫,張大英,趙慧.《流體力學(xué)》雷諾實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬的研究[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4):8-12.

Improvement of Reynolds Experimental Device

YANG Rongzhen, DONG Wensheng, LIU Chunling, ZHANG Guofang

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The Reynolds experiment device in our school was improved based on the experiment teaching in introduction to chemical engineering for improvement of the teaching effect. Moreover, corresponding computer-aided simulation software was developed. The improved device and the simulation software were used to test their teaching efficiency and it was found that their application has strengthened the students’ training in experimental skills and improved their quality.

experimental teaching; Reynolds experiment; experimental device; development

2014-03-31；修改日期: 2014-05-25

楊榮榛(1963-)，男，學(xué)士，副教授，主要從事化工課程教學(xué)和功能材料研究工作。

O65；G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.067