雷诺实验装置的改进

杨荣榛，董文生，刘春玲，张国防

(陕西师范大学 化学化工学院 西安 710119)

·仪器设备研制、改进、维护·

雷诺实验装置的改进

杨荣榛，董文生，刘春玲，张国防

(陕西师范大学 化学化工学院 西安 710119)

为改善化工基础课程实验教学效果，对雷诺实验装置进行了改进，开发了雷诺仿真模拟实验软件辅助教学。经过实验教学检验，取得了良好的效果，既强化了学生的实验技能训练，又提高了学生的综合素质，很好地促进了实验教学。

实验教学；雷诺实验；实验装置；改进

在实验教学过程中，往往由于实验装置自身的缺陷和操作等影响，导致雷诺实验结果不甚理想。鉴于此，我们结合该课程的特点，为更好地实施实验教学，让学生掌握流体流动的相关理论知识，了解流体流动规律，增强观察、分析和解决问题能力，对雷诺实验装置进行改进，提高教学效果，为后续相关课程奠定良好基础。

1 雷诺实验装置及流程

陕西师范大学的雷诺实验装置采用立式结构，由高位槽、示踪剂瓶、雷诺管、流量计、阀门、水泵和低位水箱等组成[1]，如图1所示。其流程为：

1)水泵将低位水箱中的水输送到高位槽。高位槽由三块隔板将其分成四个区域，依次为溢流区、上水区、缓冲区和储水区。溢流区是专为维持高位槽液面恒定而设置的，其与上水区以隔板相隔，当上水区液面超过隔板上沿后，会溢出至溢流区经溢流管流回至低位水箱；上水区是将低位水箱的水通过循环水泵送到高位槽，并与上水管相连接的区域；缓冲区是为减缓水流的冲击扰动而特设的区域，其与上水区之间用开有小孔的隔板相隔；储水区与缓冲区由隔板隔开，连接有雷诺管，目的是防止缓冲区来的水流产生扰动，影响实验观测结果。

图1 雷诺实验装置

2)储水区的水依次经过竖直雷诺管、流量计和流量控制阀后流回至低位水箱。

3)示踪剂则经软质细管从雷诺管上端入口处注入，通过调节控制阀的开度大小控制流量，在雷诺管中观察到色线的变化，判断不同流型，掌握流体的流动规律。

陕西师范大学的雷诺实验装置中，高位槽虽然采用了底部带孔隔板与无孔隔板相结合的方式，减缓了水流产生的扰动冲击，减小对雷诺实验结果的影响，并从水流控制、维持液位恒定等方面做了改进，但收效不大。我们仔细分析了该实验装置的结构和操作过程，发现其影响因素主要表现在，雷诺管与高位槽的连接处管口为直管连接，无渐变的过渡收缩段，导致进水流不稳定。当水进入雷诺管时，由于流况的变化，使水流方向发生改变，在入口处的局部阻力损失较大；水泵在工作时产生震动，因外来的轻微振动，尤其是处在临界区域时，易使处于层流状态下的现象变为过渡状态，而过渡状态的现象变为湍流，观察得到的现象与理论雷诺数值不符，导致实验结果不可靠。

2 雷诺实验装置的改进

实验过程中的任何轻微振动和不稳定的水流都会引起流型变化，导致示踪剂色线产生摇摆波动，不利于对流型的观察，因此，确保高位槽的液位恒定且无振动非常重要[2-3]。对于高位槽入水区而言，水流从入水口喷射出来经过底部带孔的隔板时，因内部存在暗流，其涌动效应会导致整个水箱储存的水及液面产生波动。被隔板分隔开的上水区和缓冲区两个区域紧紧相邻，水经过底部带孔隔板的小孔进入缓冲区，再翻过隔板进入与雷诺管相接的储水区。我们在带孔的隔板一侧加一层薄海绵，通过快速渗透的方式，消除水流产生的波动暗流，避免入水区、缓冲区和储水区共液面时对测定结果带来的影响。当高位槽的进水量大于储存设置的液位时，会溢出到溢流区经溢流降液管回流至低位水箱，此时，由于溢流区的液位低，位差大，冲击高位槽底，引起储水槽内液面振动。为维持高位槽内液位恒定，减小冲击，添加溢流管控制阀，使溢流区的液位维持在一定高度，防止了对高位槽底的冲击，减小振动。此外，为了减小雷诺管入口水流引起的涡动影响雷诺管内的流型，影响流型观察，设法降低该处的局部阻力损失，将入口的直管改为渐缩形状的圆形喇叭口。这些改进提高了实验效果。

为检验改进前后实验装置的效果，我们在室温为18 ℃的条件下，以水为流体，红墨水为示踪剂，分别将水的流量从小到大和从大到小调节，观察比较雷诺管中示踪剂色线的变化。为方便比较，将测定的流量、计算得到的雷诺数及实验现象列入表1中。

表1 改进前后的实验结果现象对比

临界雷诺数是流体的流型由层流向过渡流变化的临界点所对应的雷诺数，其值为2 000，即示踪剂的流线由“直线”变为“波浪线”时的雷诺数。为方便对实验结果进行对比，改造前和改造后的现象为：

改造前的雷诺数在1 636时为上下粗细一致的红色直线，在1 947时雷诺管色线上部未变，下部开始变细，未出现明显波动；从1 947变到2 071时，由稳定渐变成缓慢波动的细线；在2 071时色线出现明显摆动，当超过2 071到2 465时，波动幅度逐渐增大，开始发散抖动，颜色变浅，渐变成带状线；当流量由大逐渐向小调节时，在2 465到2 113时，开始为发散抖动的细线，逐渐形成带状线，再变为波动的线；在2 113到2 009时，渐变为波动的直线，波动幅度逐渐收缩，色线上粗下细；在2 009到1 698时，色线由摆动渐变为平稳清晰的直线，色线线径逐渐回到雷诺管中央，变得稳定。

改造后的雷诺数在1 636到1 947时为上下粗细一致的直线，在2 071时雷诺管色线仍为直线未变，仅线径变细，未出现波动；在1 947到2 071时，色线由稳定态逐渐变成微小波动摇摆状态的线；当超过2 071后出现微小的波动摇摆，到2 465时逐渐开始抖动，颜色变浅，仍可观测到色线象飘带一样摆动；当流量由大向小调节时，在2 465到2 113时，象飘带一样的色线摆动幅度逐渐变小，成为在雷诺管中心来回摆动幅度不大的细线；在2 113到2 009时，摆动的细线渐趋稳定，色线基线逐渐回到雷诺管中央，不再波动；在2 009到1 698时，色线由稳定、清晰、粗细一致的直线逐渐变粗，稳居管中心。

由于流体在由层流到过渡态附近流动时示踪剂流线的变化比较复杂，观察到的现象都不可能完全相同，观察到的只能是一个示踪剂流线波动幅度和扩散程度逐渐变化的过程。通过实验结果对比可以看出，改进前的临界雷诺数在1 947(流量94 L/h)附近，偏离理论临界雷诺数，即在较小的雷诺数下已经变为过渡流；而改进后的临界雷诺数在1 947到2 009时(流量94～97 L/h)，其结果接近理论临界雷诺数，仍然为层流，现象与结果吻合非常好，偏差理论值小，重现性好，结果更准确可靠。除了上述的改进外，我们还在雷诺管的后面安装平面反射镜，通过反射原理增大实验现象的观察角度，更方便清晰地观察实验现象，很好地促进了实验教学。

3 仿真模拟软件辅助实验教学[4-5]

改进实验装置的目的在于提高实验教学效果。学生刚开始接触化工基础实验时，看着与其他基础理论课实验差距很大的雷诺实验装置，感到茫然，无从下手。为了使学生对实验装置有足够的了解，能够有目的、有针对性地做实验，我们运用LabVIEW软件开发制作动态模拟实验软件，仿真模拟软件中使用JIF动态图片，可观察到雷诺管内的流体流动效果，供学生实验前预习。雷诺仿真模拟实验软件中的流体温度设定为15 ℃～36 ℃时，模拟温度和流量随机赋值显示，根据已知管径通过雷诺公式计算该流量和温度下的雷诺数，并通过数值显示控件及时显示。所有计算均在计算机内自动完成，最终输出的即时雷诺数供学生参考。雷诺数与流体流动形态的关系由计算机计算出来的即时雷诺数和理论临界雷诺数相比较后决定，即雷诺数小于2 000显示完全层流态流动，大于4 000时显示完全湍流态流动，在2 000到4 000时，则显示过渡态流动。

用仿真模拟软件预习雷诺实验，学生明白流体流动形态与雷诺数的关系，了解雷诺实验的实验目的、实验仪器、实验步骤、实验数据处理以及实验中可能遇到的问题等，避免在实验装置面前不知道要做什么、如何操作实验装置、应注意哪些问题等。通过反复操作我们开发的雷诺仿真模拟实验软件，学生能充分了解实验目的、实验装置和流程，可以帮助学生更加直观形象地掌握理论知识；模拟操作中还能显示各设备的内部结构、物料流动状态及原理；学生自己动手，大胆操作，进入实验室后不会出现看着实验仪器不敢操作的问题。

LabVIEW软件制作的仿真系统因其图形外观漂亮，特别适合进行模拟仿真，能方便、快捷、形象地再现实验装置、实验过程，很容易被学生接受和理解，更便于学生了解实验过程及掌握操作方法。 LabVIEW仿真模拟能吸引学生的注意力，非常受欢迎，使实验过程取得了意想不到的效果。

实验结束后，学生再通过对比分析仿真实验结果，能很快掌握雷诺实验的真谛，为学生充分地掌握流体流动知识提供了更多的帮助，且能最大限度地发挥雷诺实验本身应该具有的教育价值。雷诺实验仿真模拟软件在化工实验教学方面的创新模式，能更好地引导学生去发现问题、思考问题、解决问题，开拓学生的思维，激发学生的创新能力。

4 结束语

实验是培养学生动手操作能力和创造能力的重要途径。通过对雷诺实验装置的改进，大大地提高了实验的稳定性和准确性，强化了实验技能训练，培养了学生的创新意识，观察、分析和解决问题能力。用仿真模拟实验软件辅助实验教学，为教学提供更多的思路，更便于引导学生去发现问题、思考问题、解决问题，同时也强化了学生的计算机应用能力。这种采用仿真模拟软件辅助实验教学的模式，有效地提高了实验教学效果，为学生充分地掌握流体流动知识提供了更多的帮助。随着实践教学改革的不断深入，把知识传授与能力培养融为一体的方式，拓宽学生知识结构和思路，对培养学生的良好修养、厚实的专业基础、分析和解决问题的能力具有非常重要的意义。

[1]董文生,杨荣榛.化学工程基础实验[M].西安:陕西师范大学出版社, 2012:9-11.

[2]刘大为.开放系统中的雷诺数[J].科学技术与工程，2008,8(19):5365-5369.

[3]杨庆华,陈春光,宋志明，等.雷诺实验仪的改进与创新[J].实验室研究与探索，2007,26(12):54-56.

[4]于海明,谢秋菊,杜雪亭，等.基于网络的《流体力学》虚拟仿真实验室的设计[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2009(2):23-24.

[5]郑鑫,张大英,赵慧.《流体力学》雷诺实验的数值模拟的研究[J].长春大学学报，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

杨荣榛(1963-)，男，学士，副教授，主要从事化工课程教学和功能材料研究工作。

O65；G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.067