УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НАПОРНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Предлагаемое устройство относится к учебной технике и может быть использовано в качестве наглядного пособия для изучения напорного течения жидкости и принципа действия насосов во время проведения учебных лабораторных работ по гидравлике и физике.
Известно устройство для изучения напорного течения жидкости, содержащее прозрачные частично заполненные жидкостью напорную емкость с воздушным каналом и расположенную под ней сливную емкость с уровнемерной шкалой, соединенную с напорной емкостью опытным (сливным) каналом, 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 [Лабораторные занятия по физике: Учебное пособие под ред. Гольдина Л.Л. - М.: Наука, 1983, с. 170-173].
Недостатком этого устройства являются низкие эксплуатационные свойства. Так, подготовка и запуск устройства в работу сопровождаются большим числом операций, что делает выполнение опытов продолжительным и трудоемким. Кроме того, устройство имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяет без изменения конструкции и дополнительных операций наблюдать картину течения жидкости.
Наиболее близкой по технической сущности является учебно-лабораторная установка для исследования установившегося напорного течения жидкости по авторскому свидетельству SU 1721326. Установка выполнена в виде единого герметичного прозрачного корпуса, частично заполненного жидкостью с микрочастицами и разделенного перегородкой на напорную и расположенную под ней сливную емкости. Объем жидкости равен объему одной емкости, а если они разные, то объему меньшей из них. Сливная емкость выполнена с уровнемерной шкалой, при этом обе емкости соединены между собой размещенными в перегородке и выходящими в разные емкости сливным и воздушным каналами, установленными на разной высоте горизонтально. Входной конец воздушного канала сообщен со сливной емкостью.
Установка по прототипу проста и надежна в эксплуатации. Она позволяет визуально наблюдать ламинарное и турбулентное течение.
Недостатки: область применения ограничена, не позволяет демонстрировать особенности течения жидкости в насосах и принцип их действия.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей устройства. Технический результат при реализации устройства заключается в возможности создания различных видов течения жидкости в режиме действия насосов.
Техническая проблема решается следующим образом.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство, как и прототип, содержит единый герметичный прозрачный корпус, частично заполненный жидкостью с микрочастицами и разделенный внутри прозрачной перегородкой на две емкости. Емкости соединены между собой каналами, проходящими через перегородку. Объем жидкости равен объему одной из емкостей.
В отличие от прототипа в заявляемом устройстве, каналы установлены с двух сторон перегородки перпендикулярно ей. Конец одного из каналов выполнен в виде трубки Вентури, узкая часть которой с отверстием расположена в емкости при выходе из перегородки и сообщается с ней через отверстие, а широкая часть трубки проходит через указанную емкость, и ее конец расположен с зазором относительно соответствующей стенки корпуса. Конец второго канала при выходе из перегородки с противоположной ее стороны выполнен в виде решетки, а его второй конец сообщается с той же емкостью, что и трубка Вентури, и в частных случаях может быть выполнен в виде сифона с входом около перегородки.
Перегородка в заявляемом устройстве в одном из частных случаев выполнена сплошной. В другом исполнении перегородка имеет камеру, внешняя поверхность которой со стороны корпуса выполнена в виде гибкой упругой диафрагмы, при этом камера сообщается с прилегающей емкостью через разнесенные по ширине перегородки клапаны, один из которых нормально - впускной, а другой - выпускной.
Выполнение сужения сливного канала в виде трубки Вентури, узкая часть которой расположена в емкости при выходе из перегородки, а широкая часть заканчивается у дальней стенки этой емкости (стенки корпуса) по ходу канала, создает возможность с помощью этого устройства демонстрировать принцип действия струйного насоса (эжектора) и воздушного водоподъемника (гидроэлеватора, эрлифта).
Выполнение конца одного из каналов, в частном случае, в виде сифона, позволяет дополнительно демонстрировать работу другого перекачивающего устройства - сифонного трубопровода в режиме действия воздушного водоподъемника (гидроэлеватора, эрлифта).
Выполнение части перегородки в виде прозрачной камеры переменного объема с диафрагмой, сообщаемой с одной из емкостей через впускной и выпускной клапаны, смещенные в разные стороны от центральной геометрической оси устройства, позволяет дополнительно демонстрировать на этом устройстве также принцип действия насосов объемного действия.
Кроме того, устройство удобно в эксплуатации и легко трансформируется для демонстрации принципа действия сначала одного, а затем другого устройства или для попеременного исследования различных видов течения жидкости в разных элементах гидросистем.
На фиг. 1 изображен общий вид учебно-лабораторного устройства для изучения напорного течения жидкости в положении для демонстрации работы струйного насоса, на фиг. 2 - в положении для демонстрации работы эрлифта (воздушного водоподъемника) с применением прямоточного трубопровода, на фиг. 3 и 4 - устройство с сифонным трубопроводом соответственно в режимах демонстрации струйного насоса и совместной демонстрации работы сифона и эрлифта, на фиг. 5 - частный случай исполнения устройства в положении для демонстрации работы жидкостного насоса объемного действия, на фиг. 6 -в положении для демонстрации работы воздушного насоса объемного действия (компрессора).
Учебно-лабораторное устройство для изучения напорного течения жидкости и работы струйного насоса и воздушного водоподъемника (см. фиг. 1, 2) содержит единый герметичный прозрачный корпус 1. Корпус 1 разделен перегородкой 2 на емкость 3 и расположенную под ней емкость 4. Устройство заполнено водой, объем которой равен объему одной из емкостей или меньшей из емкостей при неравных объемах. Емкости сообщаются между собой с помощью вертикальных каналов 5 и 6. Эти каналы попеременно выполняют функцию сливного или воздушного канала.
Канал 5 в рассматриваемом положении устройства (см. фиг. 1) является сливным, а канал 6 - воздушным. Входной конец сливного канала 5 сообщается с нижней частью напорной емкости 3, а выходной - со сливной емкостью 4. Выходной конец канала 5 имеет сужение, выполненное в виде трубки Вентури 7. Узкая часть трубки Вентури (горловина) сообщается через отверстие 8 с верхней частью сливной емкости 4, а выход трубки 9 находится в нижней части емкости 4. Вход воздушного канала 6 находится в верхней части сливной емкости, а выход имеет сужение его сечения, выполненное в виде решетки 10.
Для демонстрации работы сифонного трубопровода на входе в канал 6 может быть встроен сифонный канал 11, доходящий до дна сливной емкости 4 (см. фиг. 3 и 4).
В положении устройства, представленного на фиг. 2 и 4, канал 5 является воздушным, а 6 - сливным. Соответственно и емкости: 4 - напорная, 3 - сливная.
Для демонстрации работы насоса и компрессора объемного действия в перегородку может быть дополнительно встроена прозрачная камера переменного объема 12 с гибкой упругой диафрагмой 13, сообщаемая с одной из емкостей, например, с емкостью 3, через два нормально закрытых клапана 14 и 15, например, лепесткового типа (см. фиг. 5). По отношению к камере 12 клапан 14 является выпускным, а клапан 15 - впускным. При этом клапаны разнесены по ширине перегородки, то есть смещены в разные стороны от центральной геометрической оси 16 устройства.
Устройство работает следующим образом. В положении, показанном на фиг. 1 при заполненной жидкостью емкости 3 устройство ставится на стол емкостью 4. При таком положении устройства емкость 3 является напорной, емкость 4 - сливной, канал 5 -сливным (опытным) каналом, а канал 6 - воздушным каналом.
Жидкость начинает вытекать через канал 5 и трубку Вентури 7 из напорной емкости 3 в сливную емкость 4 и вытесняет из нее воздух через канал 6 и решетку 10 в напорную емкость 4. При этом в горловине трубки 7 в соответствии с уравнением Бернулли создается вакуум. Визуально наблюдается вовлечение воздуха в виде пузырьков из емкости 4 в трубку 7 через отверстие 8. Таким образом, наглядно иллюстрируется уравнение Бернулли (принцип уменьшения давления в сужении канала за счет увеличения скорости течения жидкости) и демонстрируется принцип действия струйного вакуумнасоса.
Также при визуализации потока жидкости с микроскопическими частицами, например, алюминиевой пудры, как и в прототипе, в канале 5 можно наблюдать структуру ламинарного течения и определять его характеристики по времени опорожнения емкости 3.
При повороте устройства в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180° (см. фиг. 2) емкость 4 становится напорной, а емкость 3 - сливной. Жидкость начинает вытекать через канал 6, который становится сливным, а канал 5 из сливного преобразуется в воздушный канал. При этом наблюдается структура турбулентного течения в канале 6 и определяются его характеристики по времени наполнения емкости 3. Кроме того, вытесняемый жидкостью из емкости 3 воздух поступает в трубку Вентури 7, которая демонстрирует уже работу воздушного водоподъемника (эрлифта), поднимая на некоторую высоту, поступающую через отверстие 8 из емкости 4 жидкость, которая выливается через конец трубки 9. При наличии в устройстве сифона 11 в ходе опытов дополнительно наблюдается работа сифона 11 (см. фиг. 4) и структура турбулентного течения в нем.
Если в устройство дополнительно встроена прозрачная камера переменного объема с клапанами, то в положение, изображенном на фиг. 5, устройство функционирует следующим образом. При кратковременных нажатиях пальцем на упругую диафрагму 13 с внешней стороны корпуса 1 попеременно изменяется объем камеры 12 и срабатывают клапаны. При нажатии на диафрагму 13 она прогибается, объем камеры 12 уменьшается и происходит нагнетание и выброс жидкости через клапан 14 в емкость 3. После прекращения нажатия диафрагма 13 под действием сил ее упругости выпрямляется, объем камеры увеличивается и происходит всасывание жидкости в нее из емкости 3 через клапан 15. Таким образом, наглядно демонстрируется принцип действия жидкостного насоса объемного действия. В положение устройства, изображенном на фиг. 6, демонстрируется работа компрессора (воздушного насоса). Процесс перекачивания воздуха визуализируется с помощью пузырей, выходящих из клапана 14.
Таким образом, функциональные возможности предлагаемого устройства значительно расширяются по сравнению с прототипом при сохранении размеров и массы.
Все признаки полезной модели взаимосвязаны между собой и направлены на достижение единого технического результата - создание течения жидкостей при работе различных типов насосов (средств перекачивания), режимы работы которых определяются расположением предлагаемого устройства в пространстве.