一種新型雷諾實驗裝置的設計

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為管徑為20 mm、25 mm、32 mm 的三種管徑。實驗管材質為有機透明玻璃，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。可以明顯觀察現象的變化。

3.2 測流量方法改變

現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出并接受到被示蹤劑線反射回的超聲波信號, 再根據兩次信號的時間差, 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、溢流區和穩流區，當穩流區水位過高時水通過孔板溢流到溢流區，保證實驗時喇叭口的壓力穩定。溢流到溢流區的水可通過與儲水箱連接的泄水管排入水箱中循環利用。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，水經上水管流入恒定水箱的進水區，再由進水區與穩流區的孔板進入穩流區，當穩流區水位不變時，打開流量控制閥與示蹤劑的調節閥，使實驗管段中出現一條明顯的示蹤劑細線，此時流體處于層流狀態。逐漸開大流量調節閥，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，即上臨界狀態。記錄此時三根不同水管的水流速與水溫。繼續開大流量調節閥示蹤劑線開始斷裂，模糊，逐漸消散，此時流體呈紊流狀態。逐漸關小流量調節閥，示蹤劑線重復出現，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。記錄此時的流量與水溫。最后進行測得數據的整理，計算不同管徑的上、下臨界雷諾數。

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象，并驗證臨界雷諾數是否為定值。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象，并驗證臨界雷諾數是否為定值。

圖3 供水水箱結構示意

5 結論

實驗是培養學生動手能力和創造能力的重要途徑，也是教學過程中的重要一環。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，使傳統實驗更加先進和多樣。為學生對雷諾數的變化有了充分的認識，培養了學生的觀察、分析、理解、創新的能力，有效的提高了教學實驗效果并滿足了教學要求。