一种旁通式层流实验稳压器及其方法.pdf

本发明公开了一种旁通式层流实验稳压器及其方法。它具有水泵出水管、阀门、旁通细节流管、稳压罐和实验管道供水管。受水泵影响，该稳压器的输入水体压力波动很大。为消除小流量时层流实验的压力波动现象，在阀门的上下端设置有旁通管。层流实验在阀门全关时进行，此时阀前的波动水流只能经过旁通管流向阀后，其旁通管的粗细长短，正好使过流量控制在能满足层流所需的流量范围内。再经稳压罐二次稳压，当流到稳压器的输出端时，便能使其稳压精度在+0.5毫米以内，因而可在水泵直供条件下，满足层流实验的稳压供水需求。解决了长期以来水泵直供条件下很难解决的层流实验稳定问题。这一稳压装置，结构简单，操作方便，成本低廉。

1.  一种旁通式层流实验稳压器，其特征在于它具有水泵出水管（1）、阀门（2）、稳压罐（3）、旁通细节流管（4）和实验管道供水管（5），水泵出水管（1）上设置有阀门（2）。

2.  根据权利要求1所述的一种旁通式层流实验稳压器，其特征在于所述的旁通细节流管（4）的引水端设在阀门（2）的前管道上，出水端设在阀门（2）与稳压罐（3）之间的管道上。

3.  根据权利要求1所述的一种旁通式层流实验稳压器，其特征在于所述的稳压罐（3）是设置于阀门（2）与实验管道供水管（5）之间。

4.  一种如权利要求1所述稳压器的旁通式层流湍流实验方法，其特征在于：
湍流实验时，阀门（2）全开，水流经稳压罐（3）稳压，输送给实验管道，这种稳压状态与传统的现有的稳压状态相同，实验管道中的水流流态为湍流实验状态； 
当进行层流实验时，将阀门（2）全关，实验水流经旁通细节流管消波稳压并限流输出，再流入到稳压罐（3），经稳压罐稳压后，输送给实验管道，实验管道中的水流流态为层流实验状态。

一种旁通式层流实验稳压器及其方法
技术领域
    本发明涉及教学实验仪器。尤其涉及一种旁通式层流实验稳压器及其方法。
背景技术
流体力学水力学教学实验中，沿程阻力实验是大中专院校中应用很广泛的一个基本实验项目。其所使用的沿程阻力实验仪，通常由水泵直接供水，是一种自循环供水实验仪器。这种实验仪器因水泵引起的自循环管道系统中的压力波动，会严重影响实验精度和稳定性，以下以传统常用的7毫米实验管道的沿程阻力实验仪为例，说明其技术背景，后文所涉及的技术数据，均以这一实例为背景。
沿程阻力实验包括层流实验和湍流实验内容，其湍流实验要求实验管道的作用水头高，流量大，如上例所述的供水泵的扬程为8-20米，最大流量为200-300毫升每秒，这种高扬程的泵会引起较大的压力波动，尤其在低压端可达数厘米的水柱或更高。由于层流实验阶段，流量很小，其最大流量值约为每秒10毫升左右，其层流损失约在1-3厘米范围（与水温有关），因此水泵直供的自循环系统所产生的压力波动使层流实验几乎无法正常进行。另外，管道层流流态的本身是不会产生压力脉动的，如果所测的层流压强，有明显的脉动现象，是不符合客观规律，也有违教学的基本概念。因此从实验误差或教学要求而言，都希望在层流实验阶段，测点的压力波动越小越好。
传统上稳压方式是采用稳压罐的方式，而不是稳压箱的方式。所谓稳压箱是水泵将水先输送到有自由液面一个箱体，经箱体稳压后的水体，再供给实验管道。稳压箱稳压供水只适用于作用水头1米以下的实验系统。而沿程实验在湍流实验阶段，供水水头会高达10-20米，因此不适合通过稳压箱供水，这就是传统上沿程阻力实验仪只能通过密闭稳压罐来供水的原因。如果该稳压罐足够大，再加上分流处理，可以达到较理想的稳压效果，例如上例，经本发明人实验研究，表明稳压罐的直径需达25厘米以上，再加装分流管，经过分流处理，才能在层流流态下使稳压效果达到+1毫米。这是现有最好的一种稳压方式。这种稳压方式存在以下两个问题：一是对稳压罐耐压要求高，罐体制造成本大；二是目前市场上已没有能达到稳压要求的这类罐体。因此目前所用的沿程阻力实验仪，除本发明人生产的之外，已没有采用这种大压力罐稳压的沿程阻力实验仪。现在采用的都是小型压力罐，其稳压效果普遍很差，在层流状态下只能达到4-6毫米以上的稳压效果。即使象这样的稳压性，也必须要加装分流装置，才能达到。象这类压力波动在2毫米以上的实验仪，是不能满足教学实验要求的。
如何以最简单的结构与方法来解决水泵直供的沿程阻力实验仪压力稳定问题，是实验教学领域中急待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种旁通式层流实验稳压器及其方法。以提高水泵直供沿程阻力实验仪的稳压效果，尤其是提高层流阶段的稳压性能。
    本发明的具体实施方案如下：
一种旁通式层流实验稳压器具有水泵出水管、阀门、稳压罐、旁通细节流管和实验管道供水管，水泵出水管上设置有阀门。
所述的旁通细节流管的引水端设在阀门的前管道上，出水端设在阀门与稳压罐之间的管道上；
所述的稳压罐是设置于阀门与实验管道供水管之间。
所述稳压器的旁通式层流湍流实验方法是：
湍流实验时，阀门全开，水流经稳压罐稳压，输送给实验管道，这种稳压状态与传统的现有的稳压状态相同，实验管道中的水流流态为湍流实验状态；
当进行层流实验时，将阀门全关，实验水流经旁通细节流管消波稳压并限流输出，再流入到稳压罐，经稳压罐稳压后，输送给实验管道，实验管道中的水流流态为层流实验状态。
该稳压器的输入水体为阀前管道水流，稳压器的输出水体为稳压罐输出管道水流。受水泵影响，该稳压器的输入水体压力波动很大。为消除小流量时层流实验的压力波动现象，在阀门的上下端设置有旁通细节流管。层流实验在阀门全关时进行，此时阀前的波动水流只能经过旁通细节流管流向阀后，其旁通细节流管的粗细长短，正好使过流量控制在能满足层流所需的流量范围内。由于旁通细节流管有很好的消波稳压作用，当这一股小流量水流经旁通细节流管流到阀后时，即处于压力基本稳定状态。再经目前常用的小型稳压罐（如直径10厘米左右的自来水管道用过滤器的外筒）二次稳压，便可达到大型稳压罐加分流装置所能达到的更高精度。如上例，经实验测试，便能使其稳压精度在+0.5毫米以内，因而可在水泵直供条件下，满足层流实验的稳压供水需求。解决了长期以来水泵直供条件下很难解决的层流实验稳定问题。这一稳压装置，结构简单，操作方便，成本低廉。
本发明具有的有益效果是：
1、可在水泵直供条件下，实现1毫米级的稳压性能，能完全满足层流实验的稳压供水需求。解决了长期以来水泵直供条件下很难解决的层流实验稳定问题；
2、用小型压力罐替换了市场上断货的大型压力罐，还可以省去传统实验中的分流管；
3、巧妙利用流体力学原理，结构简单，成本低廉，稳压效果好。
4、作为教学实验应用创新，能激发学生的学习兴趣、能启发学生的创新意识，对培养创新能力有益。
附图说明
图1是一种旁通式层流实验稳压器结构示意图，图中各结构件名称如下：1水泵出水管,2阀门，3稳压罐，4旁通细节流管,5实验管道供水管。
具体实施方式
如图1所示，一种旁通式层流实验稳压器具有水泵出水管1、阀门2、稳压罐3、旁通细节流管4和实验管道供水管5，水泵出水管1上设置有阀门2。
所述的旁通细节流管4的引水端设在阀门2的前管道上，出水端设在阀门2与稳压罐3之间的管道上；
所述的稳压罐3是设置于阀门2与实验管道供水管5之间。
如果在水泵与稳压罐之间，加装一个可调节开度的阀门，利用调节阀门的开度进行限流稳压，也能达到稳压的作用，但过于麻烦，师生不愿采用。因为稳压的限流要求是非常苛刻的，太小达不到层流最大流量的要求，太大引起压力波动，超过允许范围。上例所示是教学实验中最常用的，其层流的流量仅为10毫升每秒左右，在高压管道内，调节阀门开度要达到规定的层流阶段最大流量范围，稍有不慎，就会偏大或偏小。而在回调时，因普通可调节阀门都有一个空行程，操作更加麻烦。所以，传统上从来没有采用调节阀门的开度来进行层流的稳定性能调节的。
为解决上述问题，并考虑到受水泵影响，该稳压器的输入水体压力波动很大。本发明为消除小流量时层流实验的压力波动现象，在阀门的上下端设置有旁通管。层流实验在阀门全关时进行，此时阀前的波动水流只能经过旁通管流向阀后，其旁通管的粗细长短，正好使过流量控制在能满足层流所需的流量范围内。由于旁通管有很好的消波稳压作用，当这一股小流量水流经旁通管流到阀后时，即处于压力基本稳定状态，再经稳压罐二次稳压，当流到稳压器的输出端时，便能使其稳压精度在+0.5毫米以内，因而可在水泵直供条件下，满足层流实验的稳压供水需求。
旁通细节流管的粗细可以根据实验管道的粗细选定，如0.7毫米的实验管道，可选用直径3毫米左右的软胶管。精确的旁通细节流管粗细长短，由实验确定，其旁通细节流管通过的流量应刚能满足层流实验的流量要求即可。
所述稳压器的旁通式层流湍流实验方法是：
湍流实验时，阀门2全开，水流经稳压罐3稳压，输送给实验管道，这种稳压状态与传统的现有的稳压状态相同，实验管道中的水流流态为湍流实验状态；
当进行层流实验时，将阀门2全关，实验水流经旁通细节流管消波稳压并限流输出，再流入到稳压罐3，经稳压罐稳压后，输送给实验管道，实验管道中的水流流态为层流实验状态。
无论层流或湍流阶段的实验流量调节，都可通过实验管道末端的流量调节阀调节。本稳压系统可以装，也可以不装分流管，均能达到稳压要求，尤其是层流阶段的稳压要求。