CN100416623C - 自循环电测动量定律实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环电测动量定律实验仪。它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，自循环供水器与恒压水箱下口通过上水管和下水管连接，恒压水箱与回水管道相接，回水管道尾部出口下设自循环回水装置，恒压水箱侧壁开有稳压孔，恒压水箱内设有变水头溢流板、稳水板及工作板，稳水板侧向开有稳水孔，工作板上设置出流管嘴，溢流板、稳水板和工作板将恒压水箱内划分为溢流区、稳水区、恒压区和回水区，在出流管嘴相对应侧恒压水箱侧壁上装载冲击平板，冲击平板依次连接力传感器、电测仪。本发明采用了独立自循环恒压供水系统，操作简便直观；首创力传感器测动量力，精确直观；专门设置出流定向导流装置，消除外力影响，数据更精确可靠。

Description

自循环电测动量定律实验仪

技术领域

本发明涉及实验量测仪器，尤其涉及一种自循环电测动量定律实验仪。

背景技术

动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，其动量方程是理论力学中的动量定律在流体力学、水力学中数学表达式。它反映了流体运动的动量变化与作用力之间的关系，其特点在于不必知道流动范围内部的流动过程，而只需要知道其边界上的流动情况即可，因而它可用来方便解决急变流中流体与边界面之间的相互作用力问题。因此，动量定律的实验是教学环节中不可缺少的内容。

由于流体的流速u在过流断面上的分布一般难以确定，为简化研究起见，在工程实际中通常用断面平均流速υ代替u计算总流动量，但按υ计算的动量与实际动量存有差异，所造成的误差以动量修正因数β来修正。动量修正因数是表示单位时间内通过端面的实际动量与单位时间内以相应的断面平均流速通过的动量的比值。

目前，国内外的同类实验仪器测量动量力的方式都是采用机械测力的方法。然而传统的动量实验仪存在着一定弊端：其一，为有一恒压水位，必需有一个较大型的供水系统和溢流系统，占地面积大；其二，靠手工配重或机械平衡，平衡时间长，难稳定；其三，机械测力，机械传力机构间不可避免地存在着摩擦，或其他外力影响，影响实验精度，绝大部分实验设备既不能定量地验证动量定律，更无法测定射流的动量修正系数；其四，实验操作烦琐、费时，且要求作用水头高(5～10米以上)、需水量大、能耗高。所以，国内有不少院校不得已取消了动量定律这项重要实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种自循环电测动量定律实验仪。

它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，自循环供水器与恒压水箱下口通过上水管和下水管连接，恒压水箱与回水管道相接，回水管道尾部出口下设自循环回水装置，恒压水箱侧壁开有稳压孔，恒压水箱内设有变水头溢流板、稳水板及工作板，稳水板侧向开有稳水孔，工作板上设置出流管嘴，溢流板、稳水板和工作板将恒压水箱内划分为溢流区、稳水区、恒压区和回水区，在出流管嘴相对应侧恒压水箱侧壁上装载冲击平板，冲击平板依次连接力传感器、电测仪。冲击平板具有导向板、受冲平板，在导向板、受冲平板之间设有导流槽。

本发明的优点：

1)一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地；

2)采用了独立自循环恒压供水系统，重复利用实验水体，节约资源；

3)首创运用力传感器测动量力，精确直观；

4)专门设置出流定向导流装置，消除外力影响，数据更精确可靠。

附图说明

图1是自循环电测动量定律实验仪结构示意图；

图2(a)是本实用新型导流平板结构侧视图；

图2(b)是本实用新型导流平板结构正视图；

图3(a)是本实用新型喇叭型进口管嘴(l＝3d)出口处的流速分布正视图；

图3(b)是本实用新型喇叭型进口管嘴(l＝3d)出口处的中剖面流速分布侧视图。

具体实施方式

自循环电测动量定律实验仪具有自循环供水器1、在自循环供水器1内设有水泵，自循环供水器1与恒压水箱3下口通过上水管和下水管连接，恒压水箱3与回水管道19相接，回水管道19尾部出口下设自循环回水装置11，恒压水箱3侧壁开有稳压孔2，恒压水箱3内设有变水头溢流板4、稳水板5及工作板6，稳水板5侧向开有稳水孔，工作板6上设置出流管嘴7，溢流板4、稳水板5和工作板6将恒压水箱内划分为溢流区15、稳水区16、恒压区17和回水区18，在出流管嘴7相对应侧恒压水箱3侧壁上装载冲击平板8，冲击平板8依次连接力传感器9、电测仪10。所述的冲击平板8具有导向板12、受冲平板14，在导向板12、受冲平板14之间设有导流槽13。

本发明的工作过程是：启动自循环供水器内水泵，自循环供水器向恒压水箱内供水，待恒压水箱内水位恒定，出流管嘴内均匀射出水柱，冲击冲击平板，其冲击力可由力传感器感应，传递到电测仪，由电测仪直接数值显示。

本发明的实验装置，其工作原理，是基于恒定总流的动量定律，其方程式为：

$\stackrel{\→}{F}=\mathrm{\ρQ}({\mathrm{\β}}_2{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_2-{\mathrm{\β}}_1{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_1)$

(1)

若定义水流的来流方向为x方向，则x方向的动量定律方程为：

F_x＝ρQ(β₂υ_2x-β₁υ_1x)

(2)

由于水流在冲击平板之后，沿导流槽(与来流方向呈90°角)射出，故υ_1x＝υ₁、υ_2x＝υ₂ cos90°＝0，则x方向的动量定律方程可化为：

F_x＝ρQ(0-β₁υ₁)＝-ρQβ₁υ₁

(3)

以上3式中：

——动量力矢量；

ρ——流体的密度；

Q——流体的流量；

β₁、β₂——分别为流入和流出冲击平板的流体的动量修正因素；

——分别为流入和流出冲击平板的流体的平均速度矢。

本实验动量力可待恒压水箱内水头稳定之后，直接经电测仪读数读取；若测得回水管道内流量Q、出流管嘴管径，再读取相应状态下动量力数值，可计算得出该出流水体的动量修正因数。

实验内容

(1)测量水流的动量力F_x。

启动自循环供水器内水泵，自循环供水器向恒压水箱内供水，待恒压水箱内水位恒定之后，出流管嘴内射出均匀水流，直接冲击冲击平板，其冲击力可由力传感器感应，传递到电测仪，电测仪表头显示数值即为水流的动量力F_x。

(2)设置出流导向装置，消除垂直出流分量使υ_2x＝0。

动量方程

F_x＝ρQ(β₂υ_2x-β₁υ_1x)

中的υ_2x，传给实验仪器，由于没有导向装置，υ_2x往往不完全为零，本实验装置采用一带导向板、导流槽的冲击平板与射流的入射速度矢量

相垂直，射流冲击平板后，通过平板上的导流槽，沿垂直于x由方向离开冲击平板，因此达到了严格控制速度矢量

与入口速度矢量成90°角，使动量定律中υ_2x＝0。

动量方程可简化为：

F_x＝ρQ(β₂υ_2x-β₁υ_1x)＝ρQ(0-β₁υ_1x)

(3)测定水流的动量修正因数β。

本实验装置，经上述实验内容(1)，测得该水流的动量力F_x，同时测得相应状态下回水管道内流量Q以及出流管嘴的管径d，由此可计算得出流速υ_1x，运用动量方程F_x＝ρQ(β₂υ_2x-β₁υ_1x)可计算得出该出流水体的动量修正因数β。

(4)验证υ_2x≠0对F_x的影响。

以某次实验为例，本实验装置，经上述实验内容(1)，测得该水流的动量力F_x值为51.5克(即0.505牛顿)，更换平板，使水流冲击到平板后，呈现出回流与x方向的有一夹角α＞90°(即υ_2x≠0)的水力现象。调整好位置，使反射水流的回射角度一致。测得反射角α≈135°，力传感器测得动量力F_x′值为76.0克(即0.746牛顿)。表明υ_2x若不为零，对动量力影响甚大。因为υ_2x不为零，则动量方程变为

F_x＝ρQ(β₂υ_2x-β₁υ_1x)

＝-ρQ[β₁υ_1x+β₂υ₂cos(180°-α)]

就是说F_x′随υ₂及α递增。

成果分析

(1)测定本实验装置的精度。

根据动量方程 $\stackrel{\→}{F}=\mathrm{\ρQ}({\mathrm{\β}}_2{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_2-{\mathrm{\β}}_1{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_1),$ x方向的动量定律方程可简化为：

F_x＝ρQ(0-β₁υ₁)＝-ρQβ₁υ₁

故测得动量修正因素β精度受到F_x、Q、υ₁三个因素的精度影响，动量力F_x精度与力传感器的精度有关，Q、υ₁精度与水流恒定有关。针对上述三个因素，本实验装置中，对相应机构有专门设计。对于测定F_x值的力传感器，这类设备目前国内技术已较成熟，在本装置中，选用感量为0.5克的重量力传感器，经某次实验测试，实测冲击力为51.5克(即0.505牛顿)，且稳定在51.5克(即0.505牛顿)，故其偏差率： $\mathrm{\&epsiv;}=\&PlusMinus;\frac{0.5}{51.5\&times;2}\&times;100\%=\&PlusMinus;0.485\%<\&PlusMinus;0.5\%.$ 在恒定水流方面，本装置在恒压水箱上做了多道恒压措施：首先在恒压水箱侧壁开设稳压孔，与大气连通；其次在恒压水箱内设有变水头溢流板，保证水箱内有恒定水位，多余水量经溢流板溢流，由回水管道流回供水箱内；第三，在恒压水箱还设置稳水板。经实验测试，某次流量，经体积法四次测量，每次测量时间均在20秒以上，测得流量分别为251.3ml/s、251.9ml/s、251.7ml/s、251.4ml/s，平均流量为251.6ml/s，故其最大偏差率： $\mathrm{\&epsiv;}=\&PlusMinus;\frac{(251.9-251.3)}{251.6\&times;2}\&times;100\%=\&PlusMinus;0.119\%<\&PlusMinus;0.5\%.$ 所以本实验装置的精度可以达到1％以上。因此，本发明使动量教学实验仪第一次实现了用电测的方法高精度地测量到了动量力F_x，甚至动量修正因素β值。

(2)冲击平板上设置导向板和导流槽的作用。

以往的动量实验设备上，冲击平板就是一块单纯的平板，水流在冲击平板之后，沿平板，垂直于来流方向，向四周出流。这种冲击方式，水流冲击平板，看似平板只受到一个外力作用，其实不然，水流在冲击平板之后，形成一个覆于平板表面的一个水层，由于弹性作用，水层有一个与原水流方向相反的初速度，但受水粘滞力影响，依旧贴附在平板表面，对平板形成一个与水冲击力方向相反拉力，因此，由力传感器测到的动量力，其实是两个力的合力，而这个合力往往比真实的动量力要小很多。例如，我们做了一次实验，当水的动量力为46.5克(即0.456牛顿)时，通过该种平板，力传感器感应到的力只有41.0克(即0.402牛顿)。这也是以往许多动量实验设备无法准确测定动量力的一个原因之一，动量修正因素值就更无从测量啦。区别于以往的冲击平板，在本动量发明实验装置里，冲击平板上专门发明设置了导向板和导流槽，水流经冲击平板之后，垂直于来流方向，沿平板与导向板间的导流槽形成满管流向四周出流。冲击后的水流对平板的拉力，由导向板对该水流产生一个反作用力抵消，从而使拉力这个外力变成冲击平板上的一个内力，不影响力传感器测定，力传感器测到的数值，即真正的动量力数值。这也是发明本实验装置的一项重要内容。

(3)管嘴出流的动量修正因素理论值分析演拟。

由实验资料与管道进口段边界层发展理论得知，喇叭型进口管嘴(l＝3d)出口处的流速分布，如图3所示：

据动量修正因素定义有：

${\mathrm{\&beta;}}_0=\frac{{\&Integral;}_A{u}^2\mathrm{dA}}{{\mathrm{\&upsi;}}^{2}A}$

(4)

其中：υ＝Q/A；

$u_{\max }=\sqrt{2g{H}_0}$ (H₀为管嘴作用水头)。

为积分(4)式，令J＝Δr/R

J值计算如下：

Q＝Q₁+Q₂＝μπR²u_max

(5)

而

(6)

$Q_2={\&Integral;}_{A_2}{u}_{2}d{A}_2={\&Integral;}_{r1}^R\frac{u_1}{\mathrm{\&Delta;r}}(R-r)2\mathrm{\&pi;rdr}$

(7)

联立(5)、(6)、(7)式并化简可得

解得：

(8)

又因：

${\mathrm{\&beta;}}_0=\frac{{\&Integral;}_{A_1}{u_1}^{2}d{A}_1+{\&Integral;}_{A_2}{u_2}^{2}d{A}_2}{{\mathrm{\&upsi;}}^{2}A}$

${\&Integral;}_{A_2}{u_2}^{2}d{A}_2={\&Integral;}_{R-\mathrm{\&Delta;r}}^R{\left[\frac{u_1}{\mathrm{\&Delta;r}}(R-r)\right]}^{2}2\mathrm{\&pi;rdr}$

所以得：

根据毕托管实验结果，主流区有

根据孔口管嘴实验结果，对喇叭型进口管嘴有μ＝0.93～0.95。

最后可得：

J＝0.04673～0.06543

β₀＝1.031～1.047

因此，经验值β₀＝1.02～1.05是可信的。

Claims (1)

1. 一种自循环电测动量定律实验仪，其特征在于它具有自循环供水器(1)、在自循环供水器(1)内设有水泵，自循环供水器(1)与恒压水箱(3)下口通过上水管和下水管连接，恒压水箱(3)与回水管道(19)相接，回水管道(19)尾部出口下设自循环回水装置(11)，恒压水箱(3)侧壁开有稳压孔(2)，恒压水箱(3)内设有变水头溢流板(4)、稳水板(5)及工作板(6)，稳水板(5)侧向开有稳水孔，工作板(6)上设置出流管嘴(7)，溢流板(4)、稳水板(5)和工作板(6)将恒压水箱内划分为溢流区(15)、稳水区(16)、恒压区(17)和回水区(18)，在出流管嘴(7)相对应侧恒压水箱(3)侧壁上装载冲击平板(8)，冲击平板(8)依次连接力传感器(9)、电测仪(10)，所述的冲击平板(8)具有导向板(12)、受冲平板(14)，在导向板(12)、受冲平板(14)之间设有导流槽(13)。

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