雷諾實驗裝置的改進

楊榮榛，董文生，劉春玲，張國防

(陜西師范大學 化學化工學院 西安 710119)

·儀器設備研制、改進、維護·

雷諾實驗裝置的改進

楊榮榛，董文生，劉春玲，張國防

(陜西師范大學 化學化工學院 西安 710119)

為改善化工基礎課程實驗教學效果，對雷諾實驗裝置進行了改進，開發了雷諾仿真模擬實驗軟件輔助教學。經過實驗教學檢驗，取得了良好的效果，既強化了學生的實驗技能訓練，又提高了學生的綜合素質，很好地促進了實驗教學。

實驗教學；雷諾實驗；實驗裝置；改進

在實驗教學過程中，往往由于實驗裝置自身的缺陷和操作等影響，導致雷諾實驗結果不甚理想。鑒于此，我們結合該課程的特點，為更好地實施實驗教學，讓學生掌握流體流動的相關理論知識，了解流體流動規律，增強觀察、分析和解決問題能力，對雷諾實驗裝置進行改進，提高教學效果，為后續相關課程奠定良好基礎。

1 雷諾實驗裝置及流程

陜西師范大學的雷諾實驗裝置采用立式結構，由高位槽、示蹤劑瓶、雷諾管、流量計、閥門、水泵和低位水箱等組成[1]，如圖1所示。其流程為：

1)水泵將低位水箱中的水輸送到高位槽。高位槽由三塊隔板將其分成四個區域，依次為溢流區、上水區、緩沖區和儲水區。溢流區是專為維持高位槽液面恒定而設置的，其與上水區以隔板相隔，當上水區液面超過隔板上沿后，會溢出至溢流區經溢流管流回至低位水箱；上水區是將低位水箱的水通過循環水泵送到高位槽，并與上水管相連接的區域；緩沖區是為減緩水流的沖擊擾動而特設的區域，其與上水區之間用開有小孔的隔板相隔；儲水區與緩沖區由隔板隔開，連接有雷諾管，目的是防止緩沖區來的水流產生擾動，影響實驗觀測結果。

圖1 雷諾實驗裝置

2)儲水區的水依次經過豎直雷諾管、流量計和流量控制閥后流回至低位水箱。

3)示蹤劑則經軟質細管從雷諾管上端入口處注入，通過調節控制閥的開度大小控制流量，在雷諾管中觀察到色線的變化，判斷不同流型，掌握流體的流動規律。

陜西師范大學的雷諾實驗裝置中，高位槽雖然采用了底部帶孔隔板與無孔隔板相結合的方式，減緩了水流產生的擾動沖擊，減小對雷諾實驗結果的影響，并從水流控制、維持液位恒定等方面做了改進，但收效不大。我們仔細分析了該實驗裝置的結構和操作過程，發現其影響因素主要表現在，雷諾管與高位槽的連接處管口為直管連接，無漸變的過渡收縮段，導致進水流不穩定。當水進入雷諾管時，由于流況的變化，使水流方向發生改變，在入口處的局部阻力損失較大；水泵在工作時產生震動，因外來的輕微振動，尤其是處在臨界區域時，易使處于層流狀態下的現象變為過渡狀態，而過渡狀態的現象變為湍流，觀察得到的現象與理論雷諾數值不符，導致實驗結果不可靠。

2 雷諾實驗裝置的改進

實驗過程中的任何輕微振動和不穩定的水流都會引起流型變化，導致示蹤劑色線產生搖擺波動，不利于對流型的觀察，因此，確保高位槽的液位恒定且無振動非常重要[2-3]。對于高位槽入水區而言，水流從入水口噴射出來經過底部帶孔的隔板時，因內部存在暗流，其涌動效應會導致整個水箱儲存的水及液面產生波動。被隔板分隔開的上水區和緩沖區兩個區域緊緊相鄰，水經過底部帶孔隔板的小孔進入緩沖區，再翻過隔板進入與雷諾管相接的儲水區。我們在帶孔的隔板一側加一層薄海綿，通過快速滲透的方式，消除水流產生的波動暗流，避免入水區、緩沖區和儲水區共液面時對測定結果帶來的影響。當高位槽的進水量大于儲存設置的液位時，會溢出到溢流區經溢流降液管回流至低位水箱，此時，由于溢流區的液位低，位差大，沖擊高位槽底，引起儲水槽內液面振動。為維持高位槽內液位恒定，減小沖擊，添加溢流管控制閥，使溢流區的液位維持在一定高度，防止了對高位槽底的沖擊，減小振動。此外，為了減小雷諾管入口水流引起的渦動影響雷諾管內的流型，影響流型觀察，設法降低該處的局部阻力損失，將入口的直管改為漸縮形狀的圓形喇叭口。這些改進提高了實驗效果。

為檢驗改進前后實驗裝置的效果，我們在室溫為18 ℃的條件下，以水為流體，紅墨水為示蹤劑，分別將水的流量從小到大和從大到小調節，觀察比較雷諾管中示蹤劑色線的變化。為方便比較，將測定的流量、計算得到的雷諾數及實驗現象列入表1中。

表1 改進前后的實驗結果現象對比

臨界雷諾數是流體的流型由層流向過渡流變化的臨界點所對應的雷諾數，其值為2 000，即示蹤劑的流線由“直線”變為“波浪線”時的雷諾數。為方便對實驗結果進行對比，改造前和改造后的現象為：

改造前的雷諾數在1 636時為上下粗細一致的紅色直線，在1 947時雷諾管色線上部未變，下部開始變細，未出現明顯波動；從1 947變到2 071時，由穩定漸變成緩慢波動的細線；在2 071時色線出現明顯擺動，當超過2 071到2 465時，波動幅度逐漸增大，開始發散抖動，顏色變淺，漸變成帶狀線；當流量由大逐漸向小調節時，在2 465到2 113時，開始為發散抖動的細線，逐漸形成帶狀線，再變為波動的線；在2 113到2 009時，漸變為波動的直線，波動幅度逐漸收縮，色線上粗下細；在2 009到1 698時，色線由擺動漸變為平穩清晰的直線，色線線徑逐漸回到雷諾管中央，變得穩定。

改造后的雷諾數在1 636到1 947時為上下粗細一致的直線，在2 071時雷諾管色線仍為直線未變，僅線徑變細，未出現波動；在1 947到2 071時，色線由穩定態逐漸變成微小波動搖擺狀態的線；當超過2 071后出現微小的波動搖擺，到2 465時逐漸開始抖動，顏色變淺，仍可觀測到色線象飄帶一樣擺動；當流量由大向小調節時，在2 465到2 113時，象飄帶一樣的色線擺動幅度逐漸變小，成為在雷諾管中心來回擺動幅度不大的細線；在2 113到2 009時，擺動的細線漸趨穩定，色線基線逐漸回到雷諾管中央，不再波動；在2 009到1 698時，色線由穩定、清晰、粗細一致的直線逐漸變粗，穩居管中心。

由于流體在由層流到過渡態附近流動時示蹤劑流線的變化比較復雜，觀察到的現象都不可能完全相同，觀察到的只能是一個示蹤劑流線波動幅度和擴散程度逐漸變化的過程。通過實驗結果對比可以看出，改進前的臨界雷諾數在1 947(流量94 L/h)附近，偏離理論臨界雷諾數，即在較小的雷諾數下已經變為過渡流；而改進后的臨界雷諾數在1 947到2 009時(流量94～97 L/h)，其結果接近理論臨界雷諾數，仍然為層流，現象與結果吻合非常好，偏差理論值小，重現性好，結果更準確可靠。除了上述的改進外，我們還在雷諾管的后面安裝平面反射鏡，通過反射原理增大實驗現象的觀察角度，更方便清晰地觀察實驗現象，很好地促進了實驗教學。

3 仿真模擬軟件輔助實驗教學[4-5]

改進實驗裝置的目的在于提高實驗教學效果。學生剛開始接觸化工基礎實驗時，看著與其他基礎理論課實驗差距很大的雷諾實驗裝置，感到茫然，無從下手。為了使學生對實驗裝置有足夠的了解，能夠有目的、有針對性地做實驗，我們運用LabVIEW軟件開發制作動態模擬實驗軟件，仿真模擬軟件中使用JIF動態圖片，可觀察到雷諾管內的流體流動效果，供學生實驗前預習。雷諾仿真模擬實驗軟件中的流體溫度設定為15 ℃～36 ℃時，模擬溫度和流量隨機賦值顯示，根據已知管徑通過雷諾公式計算該流量和溫度下的雷諾數，并通過數值顯示控件及時顯示。所有計算均在計算機內自動完成，最終輸出的即時雷諾數供學生參考。雷諾數與流體流動形態的關系由計算機計算出來的即時雷諾數和理論臨界雷諾數相比較后決定，即雷諾數小于2 000顯示完全層流態流動，大于4 000時顯示完全湍流態流動，在2 000到4 000時，則顯示過渡態流動。

用仿真模擬軟件預習雷諾實驗，學生明白流體流動形態與雷諾數的關系，了解雷諾實驗的實驗目的、實驗儀器、實驗步驟、實驗數據處理以及實驗中可能遇到的問題等，避免在實驗裝置面前不知道要做什么、如何操作實驗裝置、應注意哪些問題等。通過反復操作我們開發的雷諾仿真模擬實驗軟件，學生能充分了解實驗目的、實驗裝置和流程，可以幫助學生更加直觀形象地掌握理論知識；模擬操作中還能顯示各設備的內部結構、物料流動狀態及原理；學生自己動手，大膽操作，進入實驗室后不會出現看著實驗儀器不敢操作的問題。

LabVIEW軟件制作的仿真系統因其圖形外觀漂亮，特別適合進行模擬仿真，能方便、快捷、形象地再現實驗裝置、實驗過程，很容易被學生接受和理解，更便于學生了解實驗過程及掌握操作方法。 LabVIEW仿真模擬能吸引學生的注意力，非常受歡迎，使實驗過程取得了意想不到的效果。

實驗結束后，學生再通過對比分析仿真實驗結果，能很快掌握雷諾實驗的真諦，為學生充分地掌握流體流動知識提供了更多的幫助，且能最大限度地發揮雷諾實驗本身應該具有的教育價值。雷諾實驗仿真模擬軟件在化工實驗教學方面的創新模式，能更好地引導學生去發現問題、思考問題、解決問題，開拓學生的思維，激發學生的創新能力。

4 結束語

實驗是培養學生動手操作能力和創造能力的重要途徑。通過對雷諾實驗裝置的改進，大大地提高了實驗的穩定性和準確性，強化了實驗技能訓練，培養了學生的創新意識，觀察、分析和解決問題能力。用仿真模擬實驗軟件輔助實驗教學，為教學提供更多的思路，更便于引導學生去發現問題、思考問題、解決問題，同時也強化了學生的計算機應用能力。這種采用仿真模擬軟件輔助實驗教學的模式，有效地提高了實驗教學效果，為學生充分地掌握流體流動知識提供了更多的幫助。隨著實踐教學改革的不斷深入，把知識傳授與能力培養融為一體的方式，拓寬學生知識結構和思路，對培養學生的良好修養、厚實的專業基礎、分析和解決問題的能力具有非常重要的意義。

[1]董文生,楊榮榛.化學工程基礎實驗[M].西安:陜西師范大學出版社, 2012:9-11.

[2]劉大為.開放系統中的雷諾數[J].科學技術與工程，2008,8(19):5365-5369.

[3]楊慶華,陳春光,宋志明，等.雷諾實驗儀的改進與創新[J].實驗室研究與探索，2007,26(12):54-56.

[4]于海明,謝秋菊,杜雪亭，等.基于網絡的《流體力學》虛擬仿真實驗室的設計[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2009(2):23-24.

[5]鄭鑫,張大英,趙慧.《流體力學》雷諾實驗的數值模擬的研究[J].長春大學學報，2009(4):8-12.

Improvement of Reynolds Experimental Device

YANG Rongzhen, DONG Wensheng, LIU Chunling, ZHANG Guofang

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The Reynolds experiment device in our school was improved based on the experiment teaching in introduction to chemical engineering for improvement of the teaching effect. Moreover, corresponding computer-aided simulation software was developed. The improved device and the simulation software were used to test their teaching efficiency and it was found that their application has strengthened the students’ training in experimental skills and improved their quality.

experimental teaching; Reynolds experiment; experimental device; development

2014-03-31；修改日期: 2014-05-25

楊榮榛(1963-)，男，學士，副教授，主要從事化工課程教學和功能材料研究工作。

O65；G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.067