岳麗芳 閆亞婧 劉學友 李慶斌 王賀虎 萬雪麗 蘇西浩

（唐山學院 土木工程學院，河北 唐山063000）

1 概述

2 新型雷諾實驗裝置概況

傳統(tǒng)雷諾實驗裝置中，雷諾實驗管管徑單一，且示蹤劑只有紅墨水一種，觀察效果單一，流量測量采用體積測量法，測量誤差較大。針對以上存在的問題，在保留傳統(tǒng)實驗裝置的基礎上，新增了多種示蹤劑、電子溫度計、超聲波測速儀，改善了恒定水箱，使改良后的雷諾實驗臺精確度更高，實用性更強。新型雷諾實驗裝置具體結構如圖1 所示，包括恒定水箱、水泵、示蹤劑盒、儲水箱、超聲波測速儀、溫度計、溢流壁、雷諾實驗管、穩(wěn)流喇叭口、各種閥門、排水管、回水管、上水管等。

圖1 新型雷諾實驗裝置結構示意

3 新型雷諾實驗裝置具體設計

3.1 管徑變化

將原有雷諾實驗管單一管徑變?yōu)楣軓綖?0 mm、25 mm、32 mm 的三種管徑。實驗管材質(zhì)為有機透明玻璃，三個實驗管并排設置在恒定水箱的同一高度，每個管出口設置一個閥門，使每個管徑中的流體不受其他管徑影響，具體如圖2 所示?？梢悦黠@觀察現(xiàn)象的變化。

3.2 測流量方法改變

現(xiàn)在測量流量采用計時記體積算流量的方法，誤差較大，而我們將目前測流速改為超聲波測速儀，測速原理是測速儀前后兩次發(fā)出并接受到被示蹤劑線反射回的超聲波信號, 再根據(jù)兩次信號的時間差, 測出流速。這樣我們可以直接精準的得出流速，減小試驗誤差，如圖2 所示。

圖2 雷諾實驗管結構示意

3.3 恒定水箱變化

在原來水箱的基礎上加置隔板，使水箱分為進水區(qū)、溢流區(qū)和穩(wěn)流區(qū)，當穩(wěn)流區(qū)水位過高時水通過孔板溢流到溢流區(qū)，保證實驗時喇叭口的壓力穩(wěn)定。溢流到溢流區(qū)的水可通過與儲水箱連接的泄水管排入水箱中循環(huán)利用。并且當恒定水箱中水位下降到一定高度時，儲水箱中的水泵自動開啟并向恒定水箱供水，確保水位的穩(wěn)定，具體如圖3 所示。

3.4 示蹤劑變化

原有雷諾試驗臺只有紅墨水一種示蹤劑，新型雷諾實驗臺增加兩組或多組其他顏色的示蹤劑，將存放示蹤劑的盒子分成兩個或多個，更換示蹤劑時應注意將管內(nèi)殘留示蹤劑排放干凈。這樣增加了實驗的多樣性，豐富了實驗的多樣性，具體如圖3 所示。

4 實驗測定演示過程

啟動水泵，打開給水管將水充入儲水箱中，水經(jīng)上水管流入恒定水箱的進水區(qū)，再由進水區(qū)與穩(wěn)流區(qū)的孔板進入穩(wěn)流區(qū)，當穩(wěn)流區(qū)水位不變時，打開流量控制閥與示蹤劑的調(diào)節(jié)閥，使實驗管段中出現(xiàn)一條明顯的示蹤劑細線，此時流體處于層流狀態(tài)。逐漸開大流量調(diào)節(jié)閥，當示蹤劑線開始變粗、顫動、彎曲，像綢子一樣擺動起來時，流體處于層流向紊流的過渡狀態(tài)，即上臨界狀態(tài)。記錄此時三根不同水管的水流速與水溫。繼續(xù)開大流量調(diào)節(jié)閥示蹤劑線開始斷裂，模糊，逐漸消散，此時流體呈紊流狀態(tài)。逐漸關小流量調(diào)節(jié)閥，示蹤劑線重復出現(xiàn)，像綢子一樣擺動時，流體達到由紊流向層流轉變的下臨界狀態(tài)。記錄此時的流量與水溫。最后進行測得數(shù)據(jù)的整理，計算不同管徑的上、下臨界雷諾數(shù)。

在示蹤劑相同情況下，觀察不同雷諾實驗管管徑條件下層流與紊流的實驗現(xiàn)象，并驗證臨界雷諾數(shù)是否為定值。在雷諾實驗管管徑相同情況下，觀察示蹤劑不同條件下，層流與紊流的實驗現(xiàn)象，并驗證臨界雷諾數(shù)是否為定值。

圖3 供水水箱結構示意

5 結論

實驗是培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)造能力的重要途徑，也是教學過程中的重要一環(huán)。該實驗臺可測變量多，同時利用流量傳感器還能減小實驗誤差，使傳統(tǒng)實驗更加先進和多樣。為學生對雷諾數(shù)的變化有了充分的認識，培養(yǎng)了學生的觀察、分析、理解、創(chuàng)新的能力，有效的提高了教學實驗效果并滿足了教學要求。