一种新型雷诺实验装置的设计

岳丽芳 闫亚婧 刘学友 李庆斌 王贺虎 万雪丽 苏西浩

（唐山学院 土木工程学院，河北 唐山063000）

1 概述

2 新型雷诺实验装置概况

传统雷诺实验装置中，雷诺实验管管径单一，且示踪剂只有红墨水一种，观察效果单一，流量测量采用体积测量法，测量误差较大。针对以上存在的问题，在保留传统实验装置的基础上，新增了多种示踪剂、电子温度计、超声波测速仪，改善了恒定水箱，使改良后的雷诺实验台精确度更高，实用性更强。新型雷诺实验装置具体结构如图1 所示，包括恒定水箱、水泵、示踪剂盒、储水箱、超声波测速仪、温度计、溢流壁、雷诺实验管、稳流喇叭口、各种阀门、排水管、回水管、上水管等。

图1 新型雷诺实验装置结构示意

3 新型雷诺实验装置具体设计

3.1 管径变化

将原有雷诺实验管单一管径变为管径为20 mm、25 mm、32 mm 的三种管径。实验管材质为有机透明玻璃，三个实验管并排设置在恒定水箱的同一高度，每个管出口设置一个阀门，使每个管径中的流体不受其他管径影响，具体如图2 所示。可以明显观察现象的变化。

3.2 测流量方法改变

现在测量流量采用计时记体积算流量的方法，误差较大，而我们将目前测流速改为超声波测速仪，测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被示踪剂线反射回的超声波信号, 再根据两次信号的时间差, 测出流速。这样我们可以直接精准的得出流速，减小试验误差，如图2 所示。

图2 雷诺实验管结构示意

3.3 恒定水箱变化

在原来水箱的基础上加置隔板，使水箱分为进水区、溢流区和稳流区，当稳流区水位过高时水通过孔板溢流到溢流区，保证实验时喇叭口的压力稳定。溢流到溢流区的水可通过与储水箱连接的泄水管排入水箱中循环利用。并且当恒定水箱中水位下降到一定高度时，储水箱中的水泵自动开启并向恒定水箱供水，确保水位的稳定，具体如图3 所示。

3.4 示踪剂变化

原有雷诺试验台只有红墨水一种示踪剂，新型雷诺实验台增加两组或多组其他颜色的示踪剂，将存放示踪剂的盒子分成两个或多个，更换示踪剂时应注意将管内残留示踪剂排放干净。这样增加了实验的多样性，丰富了实验的多样性，具体如图3 所示。

4 实验测定演示过程

启动水泵，打开给水管将水充入储水箱中，水经上水管流入恒定水箱的进水区，再由进水区与稳流区的孔板进入稳流区，当稳流区水位不变时，打开流量控制阀与示踪剂的调节阀，使实验管段中出现一条明显的示踪剂细线，此时流体处于层流状态。逐渐开大流量调节阀，当示踪剂线开始变粗、颤动、弯曲，像绸子一样摆动起来时，流体处于层流向紊流的过渡状态，即上临界状态。记录此时三根不同水管的水流速与水温。继续开大流量调节阀示踪剂线开始断裂，模糊，逐渐消散，此时流体呈紊流状态。逐渐关小流量调节阀，示踪剂线重复出现，像绸子一样摆动时，流体达到由紊流向层流转变的下临界状态。记录此时的流量与水温。最后进行测得数据的整理，计算不同管径的上、下临界雷诺数。

在示踪剂相同情况下，观察不同雷诺实验管管径条件下层流与紊流的实验现象，并验证临界雷诺数是否为定值。在雷诺实验管管径相同情况下，观察示踪剂不同条件下，层流与紊流的实验现象，并验证临界雷诺数是否为定值。

图3 供水水箱结构示意

5 结论

实验是培养学生动手能力和创造能力的重要途径，也是教学过程中的重要一环。该实验台可测变量多，同时利用流量传感器还能减小实验误差，使传统实验更加先进和多样。为学生对雷诺数的变化有了充分的认识，培养了学生的观察、分析、理解、创新的能力，有效的提高了教学实验效果并满足了教学要求。