Учебно-лабораторная установка для исследования установившегося напорного течения жидкости Советский патент 1992 года по МПК F15B19/00 

Изобретение относится к техническим обучающим средствам и может быть использовано при создании учебно-лабораторного оборудования по гидравлике и физике для высших, средних специальных учебных заведений и средних школ.

Известна учебно-лабораторная установка для исследования установившегося напорного течения жидкости, содержащая прозрачные частично заполненные исследуемой жидкостью напорную емкость с воздушным каналом и расположенную под ней сливную емкость с уровнемерной шкалой, соединенную с напорной емкостью опытным каналом, входное и выходное сечения которого находятся ниже входного и выходного сечений воздушного канала/причем напорная емкость снабжена заливной горловиной с пробкой, опытный канал на выходном конце имеет запорное устройство, а входной конец воздушного канала и сливная емкость связаны с атмосферой 1.

Недостатком этой установки являются низкие эксплуатационные свойства. Так, подготовка и запуск установки в работу сопровождаются большим числом операций. что делает выполнение опытов продолжительным и трудоемким. Кроме того, установка имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяет без изменения конструкции и дополнительных операций определять параметры струи на выходе

j S.l

ihO

л

со

ю

|0

из опытного канала, получать распределение давления в каналах и наблюдать картину течения жидкости в процессе произвольного изменения ее скорости во времени.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных свойств установки.

Для этого учебно-лабораторная установка для исследования установившегося напорного течения жидкости, содержащая прозрачные частично заполненные исследуемой жидкостью напорную емкость с воздушным каналом и расположенную под ней сливную емкость с уровнемерной шкалой, соединенную с напорной емкостью опытным каналом, входное и выходное сечения которого находятся ниже входного и выходного сечений воздушного канала, установка выполнена в виде единого герметичного корпуса, разделенного перегородкой на напорную и сливную емкости, причем воздуш- ный и сливной каналы установлены в перегородке на разной высоте и входной конец воздушного канала сообщен со сливной емкостью, а объем жидкости в установке равен обьему меньшей из емкостей. Кроме того, выходные концы каналов направлены по вертикали и обращены один к другому, установка дополнительно содержит пьезоэлементы, расположенные между каналами и соединяющие их между собой; установка .имеет расположенные рядом с одним из каналов дополнительные каналы, которые образуют решетку; горизонтальное расстояние между центрами выходных сечений каналов превышает расстояние между ними по вертикали.

На фиг. 1 показана установка для исследования течения жидкости в каналах постоянного сечения; на фиг, 2 - установка для изучения распределения давления вдоль потока жидкости; на фиг. 3 - установка для исследования истечения жидкости через отверстия и насадки; на фиг. 4 - установка для изучения режимов движения жидкости.

Установка для исследования течения жидкости в каналах постоянного сечения (см, фиг. 1) имеет единый прозрачный герметичный корпус 1. Корпус 1 разделен наклонной перегородкой 2 на емкости 3 и 4. В перегородке на разных высотах установлены горизонтальные каналы 5 и 6 в виде трубок с различными диаметрами. Расстояние по вертикали между центрами выходных сечений трубок обозначено через В. С помощью каналов 5 и 6 емкости 3 и 4 сообщаются между собой. Установка заполнена водой, объем которой равен объему одной емкости, а если емкости разные, то

объему меньшей из них. Для измерения уровня воды в одной из емкостей предусмотрена шкала 7.

Если испытываемые каналы 5 и 6 имеют

большое сечение, то их выходные концы располагаются по вертикали один навстречу другому (на фиг. 1 показаны пунктиром). Такое конструктивное исполнение исключает обратный пропуск жидкости каналами

0 при работе их в режиме пропуска воздуха из сливной емкости в напорную.

В установке для изучения распределения давления вдоль потока жидкости (см. фиг. 2) перегородка 2 выполнена ступенча5 той и для удобства изготовления и сборки - объемной. В ней высверлены каналы 5 и 6, Канал 6 выполнен с переменным по длине сечением. Установка дополнительно содержит пьезометры 8, представляющие собой

0 вертикальные сверления, выполненные в перегородке 2. Пьезометры 8 соединяют каналы 5 и 6, расположены между ними и предназначены для измерения давления в сечениях потока.

5 Установка для исследования истечения жидкости через отверстия и насадки (см. фиг. 3) имеет ступенчатую перегородку 2 с двумя участками, расположенными на разных высотах. В перегородке на одном гори0 зонтальном участке выполнен круглый сквозной канал 5 длиной в несколько диа-г метров, представляющий собой в,нешний цилиндрический насадок. На другом горизонтальном участке в перегородке выпол5 нен канал 6, представляющий собой отверстие с острыми кромками и имеющий равный с каналом 5 диаметр для удобства сопоставления их пропускной способности. Для измерения уровней воды в емкостях,

0 угла наклона установки и дальности полета струи предусмотрена единая шкала 7, которая проходит через весь корпус и расположена на задней стенке корпуса. Установка заполнена водой, объем которой равен объ5 ему меньшей из емкостей.

В установке для изучения режимов движения жидкости (см. фиг. 4) рядом с каналом 5 имеются дополнительные каналы 9, образующие вместе решетку 10. Решетка обес0 печивает пропуск воздуха вверх без подтекания жидкости вниз, а в режиме пропуска жидкости позволяет получить большой расход ввиду малости ее гидравлического сопротивления. Центры

5 выходных сечений канала 6 и решетки 10 расположены на горизонтальном расстоянии L, превышающем вертикальное расстояние В между ними, что обеспечивает при горизонтальном положении установки получение диапазона расходов, включающего

расходы при вертикальном положении установки. Установка заполнена жидкостью, содержащей микроскопические частицы для визуализации течения.

Установки работают следующим образом.

При заполненной водой емкости 3 установка ставится на стол емкостью 4. При таком положении установки емкость 3 является напорной, емкость 4 - сливной, канал 6 - опытным каналом, а канал 5 - воздушным каналом.

Вода начинает вытекать через канал 6 из напорной емкости 3 в сливную емкость 4 и вытеснять из нее воздух в виде пузырей через канал 5 в напорную емкость 3. В результате давление над жидкостью в емкости 4 и давление в напорной емкости 3 на уровне выхода воздуха из канала 5 уравниваются и течение происходит под действием постоянного напора .Н, создаваемого весом столба жидкости между каналами и равного расстояниютю вертикали (Н В) между центрами выходных сечений каналов 5 и 6. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости через канал 6.

В ходе опытов определяют время перемещения уровня на произвольно заданную величину S, отсчитываемую по шкале 7, и с использованием размеров установки и KaJ нала 6 вычисляют расход жидкости и искомые гидравлические величины: коэффициенты истечения и гидравлического трения, потенциальную и кинетическую энергию в сечениях потока, числа Рейноль- дса.

При повороте установки на 180° в вертикальной плоскости емкость 4 становится напорной, а емкость 3 - сливной, и жидкость начинает вытекать с постоянным расходом, определяемым тем же напором Н, через канал 5. В этом случае канал 5 становится опытным, а канал 6 обращается из опытного в воздушный„канал. Вышеуказанные замеры и вычисления повторяют для канала 5,

Стабилизированное.значение расхода в установках можно изменять уменьшением напора истечения Н за счет их перевода из вертикального в наклонное положение. Кроме того, в этом случае в установке для использования истечения жидкости через отверстия и насадки (см. фиг. 3) представляется возможность определить по шкале 7 дальность полета струи и с учетом угла наклона установки рассчитать коэффициент скорости истечения.

Установка для изучения режимов движения жидкости (см. фиг. 4) позволяет визуально наблюдать ламинарное и

турбулентное течение на подходе к опытному каналу не только в установившемся режиме, но и в ходе самопроизвольного уменьшения расхода. Для этого установка 5 ставится на стол боковой стенкой и истечение происходит при постоянно уменьшающемся напоре. Кроме того, в таких положениях можно наблюдать структуру потока через решетку при внезапных расши0 ренияхи сужениях.

Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют создавать учебно- лабораторные установки для исследования различных параметров напорного течения,

5 которые в отличие от традиционных наглядны, просты по конструкции, надежны, поскольку в них отсутствуют движущиеся детали и регулирующие устройства, не требуют затрат питьевой воды на питание и

0 электроэнергии на создание потока жидкости,, малогабаритны и поэтому могут быть использованы на лекциях и практических занятиях в качестве наглядных пособий, позволяют интенсифицировать процесс обуче5 ния, т.к. занимают значительно меньше времени для проведения опытов: для установления требуемого режима работы не нужны вспомогательные операции по запуску и регулированию установки, достаточно

0 ее только перевернуть.

Формула изобретения 1.. Учебно-лабораторная установка для исследования установившегося напорного течения жидкости, содержащая прозрачные

5 частично заполненные исследуемой жидкостью напорную емкость с воздушным каналом и расположенную под ней сливную емкость с уровнемерной шкалой, соединенную с напорной емкостью опытным кана0 . лом, входное и выходное сечения которого находятся ниже входного и выходного сечении воздушного канала, отличэющая- с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных свойств, установка выполнена в

5 виде единого герметичного корпуса, разделенного перегородкой на напорную и сливную емкости, причем воздушный и сливной каналы установлены в перегородке на разной высоте и входной конец воздушного ка0 нала сообщен со сливной емкостью, а обьем жидкости в установке равен объему меньшей из емкостей.

2.Установка по п. 1,отличающаяся тем, что выходные концы каналов направле5 ны по вертикали и обращены один к другому.

3.Установка по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что дополнительно содержит пьезометры, расположенные между каналами и соединяющие их между собой.

4. Установка по п. 1, о т л и ч а ю щ а я - с я тем, что имеет расположенные рядом с одним из каналов дополнительные каналы, которые образуют решетку.

5. Установка по п. 1,отличающаяся тем, что горизонтальное расстояние между центрами выходных сечений каналов превышает расстояние между ними по вертикали.

Изобретение относится к техническим обучающим средствам и позволяет улучшить эксплуатационные свойства установки. Установка выполнена в виде единого герметичного корпуса 1, разделенного на напорную емкость 3 и. сливную емкость 4 перегородкой 2. Опытный канал 5 и воздушный канал 6 установлены в перегородке 2 на различной высоте. Входной конец воздушного канала 6 сообщается со сливной емкостью 4. Выходные концы каналов 5 и 6 направлены по вертикали один к другому, Каналы 5 и 6 можно заменить рядом каналов, образующих решетку, или соединить между собой пьезометрами. Объем жидкости, заливаемой в установку, определяется объемом меньшей из двух емкостей 3 и 4. При истечении жидкости из емкости 3 в емкость 4 под действием напора, определяемого вертикальным расстоянием между выходным сечением канала 5 и входным сечением канала 6, определяются параметры потока в сливном канале 6, При повороте установки в вертикальной плоскости на 180°, функции емкостей 3 и 4, а также кана- ловБи вменяются и определяются параметры потока в канале 5. 4 з.п. ф-лы, 4 ил. С

/

/

,5

)л.

СО

Фиг.1

и

Фиг. 2

К,Е

Фиг. 3

Фиг,Ь